Deeplabv3+概述（语义分割，小白必看）

哈喽大家好！我是唐宋宋宋，很荣幸与您相见！！

代码奉上：https://github.com/bubbliiiing/deeplabv3-plus-pytorch

图像分割可以分为两类：语义分割（Semantic Segmentation）和实例分割（Instance Segmentation），其区别如图所示。

可以看到语义分割只是简单地对图像中各个像素点分类，但是实例分割更进一步，需要区分开不同物体，这更加困难，从一定意义上来说，实例分割更像是语义分割加检测。这里我们主要关注语义分割。

语义分割使用的网络模型有很多比如pspnet，unet/unet++，deeplabv1，v2，v3，v3+，我们这里使用的是Deeplabv3+进行语义分割。

Deeplabv3+整体架构：

由这幅图我们可以发现，其实deeplabV3+模型仍然是两个部分，一个部分是Encoder，一个部分是Decoder

DeepLabv3+模型的整体架构如图所示，它的Encoder的主体是带有空洞卷积的DCNN，可以采用常用的分类网络如ResNet，然后是带有空洞卷积的空间金字塔池化模块（Atrous Spatial Pyramid Pooling, ASPP)），主要是为了引入多尺度信息；相比DeepLabv3，v3+引入了Decoder模块，其将底层特征与高层特征进一步融合，提升分割边界准确度。

Deeplabv3+对于Deeplabv系列的改进如下：

引入了对于膨胀卷积的膨胀系数。
改进了空洞空间金字塔池化
移除了条件随机场CFRs后处理，目的（精细化分割）

其实deeplabV3+与pspnet、segnet、unet相比，其最大的特点就是引入了空洞卷积，在不损失信息的情况下，加大了感受野，让每个卷积输出都包含较大范围的信息。这有利于提取多尺度信息，如下就是空洞卷积的一个示意图，所谓空洞就是特征点提取的时候会跨像素。

空洞卷积的目的其实也就是提取更有效的特征，所以它位于Encoder网络中用于特征提取。

接着我们先来看一下encoder。

可以看出来这部分由dcnn主干网络加一个aspp组成，dcnn可以使用任意一网络模型，官方使用的是resnet模型，这里我为了更轻量化使用的是基于mobilenet的deeplabv3+，由图可有看到dcnn使用的也是串行结构，然后输出的是两部分，一部分直接输出进入到decoder部分，一部分经过了aspp结构输出进行拼接，然后经过一个1*1的卷积压缩特征。

这里我们重点说一下这个ASPP模型

从上图我们可以看出对于Deeplabv2和Deeplabv3+ aspp的一个改进，在v2中仅仅使用了四个33的卷积，然后相加进行一个特征融合，而在v3中我们可以清晰的看到首先是使用了一个11的卷积+一个bn+一个relu 紧接着使用了3个33的卷积（所使用的膨胀系数也是不一样的这里是12，24，36），最后加一个全局平均池化（主要在于这里采用池化层来获取多尺度特征）+11大小的卷积+bn+relu+双线性插值来对特征进行上采样来保证特征图大小一样，（注意这里的分支特征大小都是一样规格的才可以拼接）最后对于这五个分支进行一个拼接，然后通过一个1*1的卷积和一个随机失活进行输出。

然后我们来看一下decoder模块

这里的第一个下箭头是我们encoder，dcnn的输出，一个是我们通过aspp的输出，最后进行一个拼接，一个3*3的卷积和一个上采样，这里的上采样是使用双线性插值的方法，最后输出，就是这么简单。

👀👀 理论总结：

deeplabv3+的缺点：

预测的feature map 直接双线性上采样16倍，到期望的尺寸，这样会细节信息不够

deeplabv3+的特点：

使用了【encoder-decoder】（高层特征提供语义，decoder逐步恢复边界信息）：提升了分割效果的同时，关注了边界的信息
使用【ASPP】，并将【深度可分离卷积（depthwise deparable conv）】应用在了ASPP 和 encoder 模块中，使网络更快。
decoder结构：采用一个简单的模块，用于恢复目标边界细节

deeplabv3+的效果：

在PASCAL VOC 2012 和 Cityscaps 数据集上获得 89.0% 和 82.1% 的分割效果，没有添加任何的后处理。

大家看一下我的代码。

dcnn模块使用的是MobileNetV2模型

class MobileNetV2(nn.Module):
    def __init__(self, downsample_factor=8, pretrained=True):
        super(MobileNetV2, self).__init__()
        from functools import partial

        model = mobilenetv2(pretrained)
        self.features = model.features[:-1]

        self.total_idx = len(self.features)
        self.down_idx = [2, 4, 7, 14]

        if downsample_factor == 8:
            for i in range(self.down_idx[-2], self.down_idx[-1]):
                self.features[i].apply(
                    partial(self._nostride_dilate, dilate=2)
                )
            for i in range(self.down_idx[-1], self.total_idx):
                self.features[i].apply(
                    partial(self._nostride_dilate, dilate=4)
                )
        elif downsample_factor == 16:
            for i in range(self.down_idx[-1], self.total_idx):
                self.features[i].apply(
                    partial(self._nostride_dilate, dilate=2)
                )

    def _nostride_dilate(self, m, dilate):
        classname = m.__class__.__name__
        if classname.find('Conv') != -1:
            if m.stride == (2, 2):
                m.stride = (1, 1)
                if m.kernel_size == (3, 3):
                    m.dilation = (dilate // 2, dilate // 2)
                    m.padding = (dilate // 2, dilate // 2)
            else:
                if m.kernel_size == (3, 3):
                    m.dilation = (dilate, dilate)
                    m.padding = (dilate, dilate)

    def forward(self, x):
        low_level_features = self.features[:4](x)
        x = self.features[4:](low_level_features)
        return low_level_features, x

ASPP特征提取模块，利用不同膨胀率的膨胀卷积进行特征提取，如下

class ASPP(nn.Module):
    def __init__(self, dim_in, dim_out, rate=1, bn_mom=0.1):
        super(ASPP, self).__init__()
        self.branch1 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(dim_in, dim_out, 1, 1, padding=0, dilation=rate, bias=True),
            nn.BatchNorm2d(dim_out, momentum=bn_mom),
            nn.ReLU(inplace=True),
        )
        self.branch2 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(dim_in, dim_out, 3, 1, padding=6 * rate, dilation=6 * rate, bias=True),
            nn.BatchNorm2d(dim_out, momentum=bn_mom),
            nn.ReLU(inplace=True),
        )
        self.branch3 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(dim_in, dim_out, 3, 1, padding=12 * rate, dilation=12 * rate, bias=True),
            nn.BatchNorm2d(dim_out, momentum=bn_mom),
            nn.ReLU(inplace=True),
        )
        self.branch4 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(dim_in, dim_out, 3, 1, padding=18 * rate, dilation=18 * rate, bias=True),
            nn.BatchNorm2d(dim_out, momentum=bn_mom),
            nn.ReLU(inplace=True),
        )
        self.branch5_conv = nn.Conv2d(dim_in, dim_out, 1, 1, 0, bias=True)
        self.branch5_bn = nn.BatchNorm2d(dim_out, momentum=bn_mom)
        self.branch5_relu = nn.ReLU(inplace=True)

        self.conv_cat = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(dim_out * 5, dim_out, 1, 1, padding=0, bias=True),
            nn.BatchNorm2d(dim_out, momentum=bn_mom),
            nn.ReLU(inplace=True),
        )

    def forward(self, x):
        [b, c, row, col] = x.size()

        #   一共五个分支

        conv1x1 = self.branch1(x)
        conv3x3_1 = self.branch2(x)
        conv3x3_2 = self.branch3(x)
        conv3x3_3 = self.branch4(x)
        # -----------------------------------------#
        #   第五个分支，全局平均池化+卷积
        # -----------------------------------------#
        global_feature = torch.mean(x, 2, True)
        global_feature = torch.mean(global_feature, 3, True)
        global_feature = self.branch5_conv(global_feature)
        global_feature = self.branch5_bn(global_feature)
        global_feature = self.branch5_relu(global_feature)
        global_feature = F.interpolate(global_feature, (row, col), None, 'bilinear', True)

        # -----------------------------------------#
        #   将五个分支的内容堆叠起来
        #   然后1x1卷积整合特征。
        # -----------------------------------------#
        feature_cat = torch.cat([conv1x1, conv3x3_1, conv3x3_2, conv3x3_3, global_feature], dim=1)
        result = self.conv_cat(feature_cat)
        return result

接着是对于这两个模型进行一个总结，我这里做了个选择可以选择使用原始论文的xception，可以选择我使用的mobilenet

class DeepLab(nn.Module):
    def __init__(self, num_classes, backbone="mobilenet", pretrained=True, downsample_factor=16):
        super(DeepLab, self).__init__()
        if backbone == "xception":
            # ----------------------------------#
            #   获得两个特征层
            #   浅层特征    [128,128,256]
            #   主干部分    [30,30,2048]
            # ----------------------------------#
            self.backbone = xception(downsample_factor=downsample_factor, pretrained=pretrained)
            in_channels = 2048
            low_level_channels = 256
        elif backbone == "mobilenet":
            # ----------------------------------#
            #   获得两个特征层
            #   浅层特征    [128,128,24]
            #   主干部分    [30,30,320]
            # ----------------------------------#
            self.backbone = MobileNetV2(downsample_factor=downsample_factor, pretrained=pretrained)
            in_channels = 320
            low_level_channels = 24
        else:
            raise ValueError('Unsupported backbone - `{}`, Use mobilenet, xception.'.format(backbone))

        # -----------------------------------------#
        #   ASPP特征提取模块
        #   利用不同膨胀率的膨胀卷积进行特征提取
        # -----------------------------------------#
        self.aspp = ASPP(dim_in=in_channels, dim_out=256, rate=16 // downsample_factor)

        # ----------------------------------#
        #   浅层特征边
        # ----------------------------------#
        self.shortcut_conv = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(low_level_channels, 48, 1),
            nn.BatchNorm2d(48),
            nn.ReLU(inplace=True)
        )

        self.cat_conv = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(48 + 256, 256, 3, stride=1, padding=1),
            nn.BatchNorm2d(256),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Dropout(0.5),

            nn.Conv2d(256, 256, 3, stride=1, padding=1),
            nn.BatchNorm2d(256),
            nn.ReLU(inplace=True),

            nn.Dropout(0.1),
        )
        self.cls_conv = nn.Conv2d(256, num_classes, 1, stride=1)

    def forward(self, x):
        H, W = x.size(2), x.size(3)
        # -----------------------------------------#
        #   获得两个特征层
        #   low_level_features: 浅层特征-进行卷积处理
        #   x : 主干部分-利用ASPP结构进行加强特征提取
        # -----------------------------------------#
        low_level_features, x = self.backbone(x)
        x = self.aspp(x)
        low_level_features = self.shortcut_conv(low_level_features)

        # -----------------------------------------#
        #   将加强特征边上采样
        #   与浅层特征堆叠后利用卷积进行特征提取
        #   zykandqss
        # -----------------------------------------#
        x = F.interpolate(x, size=(low_level_features.size(2), low_level_features.size(3)), mode='bilinear',
                          align_corners=True)
        x = self.cat_conv(torch.cat((x, low_level_features), dim=1))
        x = self.cls_conv(x)
        x = F.interpolate(x, size=(H, W), mode='bilinear', align_corners=True)
        return x

最后我们可以看一下训练好的评价指标，运行代码部分的get_miou.py可以得到一些评价指标，这里可以看一下我的例子。

可以看到有miou，map，pre，recall各项指标。

感谢大家阅读！🙏🙏🙏

标签：计算机视觉人工智能 pycharm

本文转载自: https://blog.csdn.net/m0_64524798/article/details/129206808
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