ESPNet: Efficient Spatial Pyramid of Dilated Convolutions for Semantic Segmentation(自动驾驶领域轻量级模型)

ESPNet是一种高效的空间金字塔卷积模块,适用于轻量级语义分割任务,尤其适合移动端。模型包括Efficient spatial pyramid和HFF模块,通过1x1卷积降低维度并使用空洞卷积扩大感受野。HFF模块解决了空洞卷积的gridding artifacts问题。在参数量少的情况下,ESPNet在VOC数据集上表现出色。

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主要思想

基于传统卷积模块设计,提出一种高效空间金字塔卷积模块(ESP Module),有助于减小模型运算量和内存、功率消耗,以提高在终端设备上的适用性。这款模型和MobileNet系列、ShuffNet系列相似,都是轻量级模型,可以部署到移动端。

模型具体结构

如下图所示,模型主要有两个模块构成,一个是Efficient spatial pyramid模块,一个是HFF模块。
在这里插入图片描述

Efficient spatial pyramid

这个部分由两个子部分构成,前面部分是逐点卷积,就是采用K个1x1xM的小卷积核对原图进行卷积操作,1x1卷积的作用其实就是为了降低维度,这样就可以减少参数,这也是轻量级模型的思路。后面的部分是空洞卷积,即在没有进行下采样(pooling)的操作下,扩大感受野。使用不同膨胀率的卷积核,可以得到不同感受野下的feature,这一点有点类似金字塔池化,所以这个模块也叫ESP。

参数计算

下面来计算下一共包含的参数,其实在效果上,以这种轻量级的网络作为backbone效果肯定不如那些重量级的,比如Resnet,但是在运行速度上有很大优势。

如上图所示,对Efficient spatial pyramid第一部分来说,d个1x1xM的卷积核,将M维的输入feature map降至d维。此时参数为: M ∗ N / K M*{N/K}

### 基于上下文引导的空间特征重建的研究背景 在计算机视觉领域,语义分割是一项核心任务,其目标是对图像中的每个像素分配一个类别标签。为了提高效率并保持高精度,许多研究提出了不同的优化策略。其中一种有效的方法是通过 **基于上下文引导的空间特征重建 (Context-Guided Spatial Feature Reconstruction)** 来增强模型性能[^1]。 这种方法的核心在于利用全局和局部的上下文信息来改进空间特征表示的质量。具体来说,它可以通过自适应采样机制减少冗余计算,并专注于更具有判别性的区域。这种技术不仅能够加速训练过程,还能显著提升最终预测的准确性。 --- ### 自感知采样方案的应用 文章提到的一种名为“Self-aware Sampling Scheme”的方法被设计用于高效地训练全卷积网络(FCN)。该方法的关键思想是在训练过程中动态调整样本权重,从而优先处理那些更具挑战性的部分。这有助于缓解传统均匀采样的局限性,尤其是在面对复杂场景时。 #### 方法概述 以下是 Context-Guided Spatial Feature Reconstruction 的主要组成部分: 1. **多尺度特征融合**: 利用不同层次上的特征图捕获丰富的细节以及高层次抽象概念之间的关系。此操作通常借助跳跃连接或者注意力模块完成。 2. **上下文建模**: 引入全局平均池化(GAP)或其他形式的位置编码手段提取整个输入图片范围内的依赖模式。这些额外的信息可以指导后续阶段更好地理解对象边界及其内部结构特性。 3. **轻量化重构层**: 设计专门针对低延迟需求而定制化的解码器架构,在不牺牲太多质量的前提下降低参数量级数。例如采用深度可分离卷积代替标准二维卷积运算单元。 4. **损失函数创新**: 结合交叉熵误差项与其他正则化约束条件共同定义总体目标函数表达式。这样做既可以促进收敛速度又能防止过拟合现象发生。 ```python import torch.nn as nn class CG_SpatialReconstruction(nn.Module): def __init__(self, in_channels, out_channels): super(CG_SpatialReconstruction, self).__init__() # 多尺度特征融合组件 self.fusion_layer = nn.Sequential( nn.Conv2d(in_channels=in_channels * 2, out_channels=out_channels, kernel_size=1), nn.BatchNorm2d(out_channels), nn.ReLU() ) def forward(self, low_level_features, high_level_features): fused_feature_maps = torch.cat([low_level_features, high_level_features], dim=1) reconstructed_output = self.fusion_layer(fused_feature_maps) return reconstructed_output ``` 上述代码片段展示了一个简单的实现框架,展示了如何将高低级别特征结合起来形成新的表征向量集合。 --- ### 实验验证与效果分析 实验结果显示,当应用于大规模公开数据集(如 Cityscapes 或 ADE20K)上时,所提出的算法能够在保证较高IoU得分的同时大幅缩短推理时间成本。更重要的是,即使部署到移动设备端也能维持令人满意的用户体验水平。 ---
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