膨胀卷积--Multi-scale context aggregation by dilated convolutions

本文探讨了在语义分割任务中利用膨胀卷积获取多尺度上下文信息的方法,介绍了通过不同膨胀率的卷积层实现多尺度特征提取,并详细说明了基于VGG-16网络的前端模块设计。

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Multi-scale context aggregation by dilated convolutions
ICLR 2016

https://arxiv.org/abs/1511.07122

Code:
https://github.com/fyu/dilation
https://github.com/bordesf/dilation

针对语义分割问题 semantic segmentation,这里使用 dilated convolutions 得到multi-scale context 信息来提升分割效果。

dilated convolutions:

首先来看看膨胀卷积 dilated convolutions ,

这里写图片描述

图(a):就是一个常规的 3*3 卷积,1-dilated convolution 得到 F1, F1的每个位置的 receptive field 是 3×3
图(b): 在 F1的基础上,进行一个2-dilated convolution,注意它的点乘位置,不是相邻的3*3,得到了 F2,
F2的每个位置的 receptive field 是 7×7
图(c):在 F2的基础上,进行一个 4-dilated convolution,得到了 F3,
F3的每个位置的 receptive field 是 15×15

注意这里 dilated convolution 的参数数量是相同的,都是 3*3=9

Multi-scale context aggregation:

这里写图片描述

The basic context module has 7 layers that apply 3×3 convolutions with different dilation factors. The dilations are 1, 1, 2, 4, 8, 16, and 1。
这里主要通过不同的 different dilation factors 得到 multi-scale context。

注意这里的 context module 参数初始化是有讲究的。

FRONT END:

这里我们使用 VGG-16 network用于 dense prediction and removed the last two pooling and striding layers,后面应该是加上 context module

这里写图片描述
这里写图片描述

这里写图片描述

这里写图片描述

### 多尺度膨胀卷积的概念与实现方法 #### 背景介绍 多尺度膨胀卷积是一种利用扩张卷积dilated convolutions)来捕捉不同尺度上下文信息的技术。它能够有效地扩大感受野而无需增加参数量或计算复杂度,这使得其成为计算机视觉领域中的重要工具之一。 #### 概念解析 扩张卷积通过在标准卷积核中引入间隔(即孔洞),从而扩展了传统卷积的感受野大小。这种技术允许网络在同一层中获取更大范围的空间依赖关系而不显著提升内存消耗和运算负担[^2]。具体来说,在一个多尺度框架下应用这些操作可以更好地适应目标物体的不同尺寸以及场景内的多样性变化需求。 #### 实现方式 为了达到上述目的,一种常见做法是在神经网络架构设计阶段加入多个具有不同扩张率(dilation rates) 的卷积层组合而成的模块结构。例如,在某些研究工作中提到过采用四种不同的扩张因子(分别是1, 6, 12 和 18),以此构建所谓的空洞空间金字塔池化 (ASPP)[^3] 。这种方法不仅有助于增强对于细粒度特征的理解能力,而且还能改善针对密集预测任务的表现效果比如语义分割或者人群计数等问题处理方面取得良好成效。 以下是基于PyTorch的一个简单例子展示如何创建带有多种扩张比率设置下的二维卷积层: ```python import torch.nn as nn class MultiScaleDilatedConv(nn.Module): def __init__(self, in_channels, out_channels): super(MultiScaleDilatedConv, self).__init__() # 定义四个不同扩张率的卷积层 self.conv_dilate_1 = nn.Conv2d(in_channels=in_channels, out_channels=out_channels//4, kernel_size=3, dilation=1, padding=1) self.conv_dilate_6 = nn.Conv2d(in_channels=in_channels, out_channels=out_channels//4, kernel_size=3, dilation=6, padding=6) self.conv_dilate_12 = nn.Conv2d(in_channels=in_channels, out_channels=out_channels//4, kernel_size=3, dilation=12, padding=12) self.conv_dilate_18 = nn.Conv2d(in_channels=in_channels, out_channels=out_channels//4, kernel_size=3, dilation=18, padding=18) def forward(self, x): output_1 = self.conv_dilate_1(x) output_6 = self.conv_dilate_6(x) output_12 = self.conv_dilate_12(x) output_18 = self.conv_dilate_18(x) # 将所有输出拼接在一起作为最终结果返回 return torch.cat([output_1, output_6, output_12, output_18], dim=1) ``` 此代码片段定义了一个新的类`MultiScaleDilatedConv`,其中包含了四组分别对应于不同扩张系数{1,6,12,18}的标准二维卷积操作实例。当调用此类对象时会依次执行每种类型的转换并最后把它们沿通道维度连接起来形成完整的响应图谱供后续分析使用。 #### 应用案例 - **城市街景理解**:如CITYSCAPES数据集上的实验表明,借助多尺度膨胀卷积可提高像素级分类精度,尤其适合解决复杂的街道环境识别挑战。 - **人群密度估计**:相比其他方案而言,结合编码器-解码器模式再加上特定设计好的多尺度感知单元能更精确地评估公共场合内人员数量分布状况。
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