FCN的理解

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#FCN #论文

直观展现网络结构：http://ethereon.github.io/netscope/#/editor

卷积与逆卷积的动图https://github.com/vdumoulin/conv_arithmetic

【原文图】“Fully convolutional networks for semantic segmentation.” 

上图中，32x即为扩大32倍。

Pool5扩大32倍就可以得到原来图像大小了。

Pool5扩大2倍与Pool4融合得到，再扩大16倍也可以得到原来图像大小了。

扩大2倍与Pool3融合再扩大8倍也可以得到原来图像大小了。

以下内容来自http://blog.youkuaiyun.com/shenxiaolu1984/article/details/51348149

核心思想

本文包含了当下CNN的三个思潮 
- 不含全连接层(fc)的全卷积(fully conv)网络。可适应任意尺寸输入。 
- 增大数据尺寸的反卷积(deconv)层。能够输出精细的结果。 
- 结合不同深度层结果的跳级(skip)结构。同时确保鲁棒性和精确性。

网络结构

网络结构如下。输入可为任意尺寸图像彩色图像；输出与输入尺寸相同，深度为：20类目标+背景=21。 
这里写图片描述

全卷积-提取特征

虚线上半部分为全卷积网络。（蓝：卷积，绿：max pooling）。对于不同尺寸的输入图像，各层数据的尺寸（height，width）相应变化，深度（channel）不变。 
这部分由深度学习分类问题中经典网络AlexNet1修改而来。只不过，把最后两个全连接层（fc）改成了卷积层。

论文中，达到最高精度的分类网络是VGG16，但提供的模型基于AlexNet。此处使用AlexNet便于绘图。

逐像素预测

虚线下半部分中，分别从卷积网络的不同阶段，以卷积层（蓝色×3）预测深度为21的分类结果。

例：第一个预测模块 
输入16*16*4096，卷积模板尺寸1*1，输出16*16*21。 
相当于对每个像素施加一个全连接层，从4096维特征，预测21类结果。

反卷积-升采样

（这里会先进行上采样，即扩大像素；再进行卷积——通过学习获得权值）

下半部分，反卷积层（橙色×3）可以把输入数据尺寸放大。和卷积层一样，上采样的具体参数经过训练确定。

这里图像的反卷积与下图的full卷积原理是一样的，使用了这一种反卷积手段使得图像可以变大，FCN作者使用的方法是这里所说反卷积的一种变体，这样就可以获得相应的像素值，图像可以实现end to end。

例：反卷积2 
这里写图片描述 
输入：每个像素值等于filter的权重 
输出：步长为stride，截取的宽度为pad。

跳级结构

下半部分，使用逐数据相加（黄色×2），把三个不同深度的预测结果进行融合：较浅的结果更为精细，较深的结果更为鲁棒。 
在融合之前，使用裁剪层（灰色×2）统一两者大小。最后裁剪成和输入相同尺寸输出。

训练

训练过程分为四个阶段，也体现了作者的设计思路，值得研究。

第1阶段

这里写图片描述 
以经典的分类网络为初始化。最后两级是全连接（红色），参数弃去不用。

第2阶段

这里写图片描述 
从特征小图（16*16*4096）预测分割小图（16*16*21），之后直接升采样为大图。 
反卷积（橙色）的步长为32，这个网络称为FCN-32s。 
这一阶段使用单GPU训练约需3天。

第3阶段

这里写图片描述 
升采样分为两次完成（橙色×2）。 
在第二次升采样前，把第4个pooling层（绿色）的预测结果（蓝色）融合进来。使用跳级结构提升精确性。 
第二次反卷积步长为16，这个网络称为FCN-16s。 
这一阶段使用单GPU训练约需1天。

第4阶段

这里写图片描述 
升采样分为三次完成（橙色×3）。 
进一步融合了第3个pooling层的预测结果。 
第三次反卷积步长为8，记为FCN-8s。 
这一阶段使用单GPU训练约需1天。

较浅层的预测结果包含了更多细节信息。比较2,3,4阶段可以看出，跳级结构利用浅层信息辅助逐步升采样，有更精细的结果。 
这里写图片描述

其他参数

minibatch：20张图片 
learning rate：0.001 
初始化： 
分类网络之外的卷积层参数初始化为0。 
反卷积参数初始化为bilinear插值。最后一层反卷积固定位bilinear插值不做学习。

结论

总体来说，本文的逻辑如下： 
- 想要精确预测每个像素的分割结果 
- 必须经历从大到小，再从小到大的两个过程 
- 在升采样过程中，分阶段增大比一步到位效果更好 
- 在升采样的每个阶段，使用降采样对应层的特征进行辅助

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