语义分割-SegNet

SegNet是一种深度卷积神经网络,用于图像语义分割。它采用VGG 16作为编码器,并利用maxpooling索引进行上采样,形成对称的编码-解码结构。SegNet的亮点在于没有全连接层,减少了参数数量,易于端到端训练,且在推理速度和内存需求上有优势。实验表明,尽管在某些数据集上的性能可能不如其他模型,但其速度和效率使其成为一个实用的选择。

论文原文

SegNet: A Deep ConvolutionalEncoder-Decoder Architecture for ImageSegmentation

0. 简介

  SegNet与DeconvNet在结构上非常相似,也都使用了maxpooling的索引来进行上采样,两者主要区别在于:

  • SegNet去掉了FC层,而DeconvNet没有;
  • SegNet在decoder中使用了卷积,而DeconvNet使用了反卷积;

  去掉了FC层,使得SegNet的参数量更小,也更容易实现端到端的训练,同时训练速度和推理速度都很快。
  同时SegNet实现了几乎完全对称encoder-decoder结构。

1. 网络架构

在这里插入图片描述
  和DeconvNet相同,SegNet的encoder部分基于VGG 16,但是没有卷积层,在进行maxpooling时,同时保存pooling的索引,以便decoder进行上采样使用。
  SegNet的decoder部分根据encoder的pooling的索引,来进行上采样;同时不同于DeconvNet使用反卷积,SegNet使用了卷积操作。
  SegNet的encoder,decoder几乎完全对称,decoder最后接了一层softmax层来进行预测分数。

2. 上采样

### 如何使用SegNet进行Cityscapes数据集上的语义分割 #### Cityscapes 数据集简介 Cityscapes 是一个广泛使用的城市场景语义理解数据集,包含来自50个不同城市的高质量城市街景图像。该数据集主要用于自动驾驶场景下的语义分割任务[^2]。 #### SegNet 的基本原理 SegNet 是一种基于卷积神经网络(CNN)的深度学习模型,专为图像语义分割设计。其核心架构由编码器-解码器组成,能够通过多层卷积和池化操作提取图像的高层次特征,并利用解码器将这些特征重新映射到原始图像分辨率,从而完成像素级分类任务[^3]。 #### 使用 PyTorch 实现 SegNet 并应用到 Cityscapes 数据集上 以下是实现 SegNet 进行 Cityscapes 数据集语义分割的一个教程示例: 1. **安装依赖库** 需要先安装必要的 Python 库,例如 `torch` 和 `torchvision`。 ```bash pip install torch torchvision matplotlib pillow ``` 2. **加载 Cityscapes 数据集** 可以通过 `torchvision.datasets.Cityscapes` 加载 Cityscapes 数据集。 ```python from torchvision import datasets, transforms transform = transforms.Compose([ transforms.ToTensor(), transforms.Normalize(mean=[0.485, 0.456, 0.406], std=[0.229, 0.224, 0.225]) ]) cityscapes_train = datasets.Cityscapes( root='./data', split='train', mode='fine', target_type='semantic', transform=transform ) cityscapes_val = datasets.Cityscapes( root='./data', split='val', mode='fine', target_type='semantic', transform=transform ) ``` 3. **定义 SegNet 架构** 下面是一个简单的 SegNet 定义: ```python import torch.nn as nn import torch.nn.functional as F class SegNet(nn.Module): def __init__(self, input_channels=3, output_channels=34): # 输出通道数对应 Cityscapes 类别数量 super(SegNet, self).__init__() self.encoder_1 = nn.Sequential( nn.Conv2d(input_channels, 64, kernel_size=3, padding=1), nn.BatchNorm2d(64), nn.ReLU(inplace=True), nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, return_indices=True) ) self.decoder_1 = nn.Sequential( nn.ConvTranspose2d(64, output_channels, kernel_size=3, padding=1), nn.BatchNorm2d(output_channels), nn.ReLU(inplace=True) ) # 更复杂的编码器和解码器可以在此处扩展... def forward(self, x): indices_list = [] sizes = [] # Encoder x, indices = self.encoder_1(x) indices_list.append(indices) sizes.append(x.size()) # Decoder out = F.max_unpool2d(x, indices_list.pop(), 2, 2, output_size=sizes.pop()) out = self.decoder_1(out) return out ``` 4. **训练过程** 训练过程中需要定义损失函数、优化器以及评估指标。 ```python model = SegNet() criterion = nn.CrossEntropyLoss() # 对于语义分割任务通常使用交叉熵损失 optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001) num_epochs = 10 for epoch in range(num_epochs): model.train() total_loss = 0 for images, labels in train_loader: outputs = model(images) loss = criterion(outputs, labels.squeeze(1)) # 去掉多余的维度 optimizer.zero_grad() loss.backward() optimizer.step() total_loss += loss.item() print(f'Epoch [{epoch+1}/{num_epochs}], Loss: {total_loss:.4f}') ``` 5. **验证与测试** 在验证集或测试集上评估模型性能。 ```python model.eval() with torch.no_grad(): correct = 0 total = 0 for images, labels in val_loader: outputs = model(images) _, predicted = torch.max(outputs.data, 1) total += labels.numel() correct += (predicted == labels).sum().item() accuracy = 100 * correct / total print(f'Validation Accuracy: {accuracy:.2f}%') ``` #### 结论 上述代码展示了如何使用 PyTorch 实现 SegNet 并将其应用于 Cityscapes 数据集上的语义分割任务。此方法同样适用于其他类似的编码器-解码器架构,如 FCN 或 U-Net[^1]。 ---
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