语义分割开山之作FCN代码

本文深入解析了全卷积网络(FCN)的不同版本,包括FCN32s、FCN16s、FCN8s及FCNs,展示了如何利用预训练的VGG网络进行语义分割任务。通过详细的代码实现,文章阐述了各组件如反卷积层、批量归一化层及分类器的作用,同时验证了网络输出尺寸的正确性。

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 参考:https://luckmoonlight.github.io/2019/03/12/FCN/

全部代码:https://github.com/pochih/FCN-pytorch

# -*- coding: utf-8 -*-

from __future__ import print_function

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torchvision import models
from torchvision.models.vgg import VGG


class FCN32s(nn.Module):

    def __init__(self, pretrained_net, n_class):
        super().__init__()
        self.n_class = n_class
        self.pretrained_net = pretrained_net
        self.relu    = nn.ReLU(inplace=True)
        self.deconv1 = nn.ConvTranspose2d(512, 512, kernel_size=3, stride=2, padding=1, dilation=1, output_padding=1)
        self.bn1     = nn.BatchNorm2d(512)
        self.deconv2 = nn.ConvTranspose2d(512, 256, kernel_size=3, stride=2, padding=1, dilation=1, output_padding=1)
        self.bn2     = nn.BatchNorm2d(256)
        self.deconv3 = nn.ConvTranspose2d(256, 128, kernel_size=3, stride=2, padding=1, dilation=1, output_padding=1)
        self.bn3     = nn.BatchNorm2d(128)
        self.deconv4 = nn.ConvTranspose2d(128, 64, kernel_size=3, stride=2, padding=1, dilation=1, output_padding=1)
        self.bn4     = nn.BatchNorm2d(64)
        self.deconv5 = nn.ConvTranspose2d(64, 32, kernel_size=3, stride=2, padding=1, dilation=1, output_padding=1)
        self.bn5     = nn.BatchNorm2d(32)
        self.classifier = nn.Conv2d(32, n_class, kernel_size=1)

    def forward(self, x):
        output = self.pretrained_net(x)
        x5 = output['x5']  # size=(N, 512, x.H/32, x.W/32)

        score = self.bn1(self.relu(self.deconv1(x5)))     # size=(N, 512, x.H/16, x.W/16)
        score = self.bn2(self.relu(self.deconv2(score)))  # size=(N, 256, x.H/8, x.W/8)
        score = self.bn3(self.relu(self.deconv3(score)))  # size=(N, 128, x.H/4, x.W/4)
        score = self.bn4(self.relu(self.deconv4(score)))  # size=(N, 64, x.H/2, x.W/2)
        score = self.bn5(self.relu(self.deconv5(score)))  # size=(N, 32, x.H, x.W)
        score = self.classifier(score)                    # size=(N, n_class, x.H/1, x.W/1)

        return score  # size=(N, n_class, x.H/1, x.W/1)


class FCN16s(nn.Module):

    def __init__(self, pretrained_net, n_class):
        super().__init__()
        self.n_class = n_class
        self.pretrained_net = pretrained_net
        self.relu    = nn.ReLU(inplace=True)
        self.deconv1 = nn.ConvTranspose2d(512, 512, kernel_size=3, stride=2, padding=1, dilation=1, output_padding=1)
        self.bn1     = nn.BatchNorm2d(512)
        self
<think>好的,我现在需要详细解释语义分割、卷积神经网络和U-Net的概念。首先,用户的问题涉及三个主要部分,我得逐一分析每个部分,确保准确性和全面性。 首先是语义分割。我记得语义分割是计算机视觉中的任务,目标是为图像的每个像素分配类别标签。这和分类不同,分类是整个图像一个标签,而语义分割需要更精细的划分。比如FCN是这方面的开山,用户提供的引用[1]提到FCN是全卷积网络,没有全连接层,可以处理任意尺寸输入。这很重要,因为传统CNN可能有全连接层限制输入尺寸。另外,引用[3]提到U-Net中的上采样和跳跃连接,这也是语义分割常用的技术,用于恢复空间信息。 接下来是卷积神经网络(CNN)。CNN的基础结构包括卷积层、池化层、激活函数等。卷积层提取特征,池化降低维度,激活引入非线性。用户可能已经了解基础,但需要详细解释。比如卷积操如何捕捉空间层次结构,池化的用,以及多层堆叠形成深层网络。这里可能需要提到经典网络如LeNet、AlexNet,但用户的问题更关注与分割相关的结构,所以重点可能在卷积和反卷积(转置卷积)用于上采样。 然后是U-Net。根据引用[2]和[3],U-Net的结构是编码器-解码器,带有跳跃连接。编码器部分通过卷积和池化逐步下采样,提取高级特征;解码器部分上采样恢复分辨率,跳跃连接将低级特征与高级特征融合,帮助精确定位。U-Net++在U-Net基础上改进,增加了嵌套的跳跃路径和深度监督,可能提高分割精度。需要解释这些组件的功能,比如跳跃连接如何解决信息丢失问题,上采样的方法(如转置卷积或插值),以及为什么U-Net在医学图像中表现好。 现在需要考虑用户可能的疑问点。例如,语义分割与实例分割的区别,全卷积网络为何能处理任意尺寸,U-Net的跳跃连接具体结构,以及如何训练这样的网络。此外,引用中的FCN和U-Net的区别也需要说明,比如FCN使用不同阶段特征进行融合,而U-Net通过跳跃连接更系统地将不同层次特征结合。 需要确保术语准确,比如“转置卷积”和“上采样”是否相同,或者有不同的实现方式。同时,代码示例可能需要展示一个简单的U-Net结构,但用户提供的示例中的Python代码是快速排序,可能用户希望看到的是相关网络的结构代码。不过根据用户的问题,可能不需要代码,但如果有的话会更清晰。 最后,生成相关问题需要考虑用户可能的后续疑问,如应用场景、优化方法、与其他网络对比等。比如,语义分割的应用在自动驾驶、医学影像;U-Net的改进版本如U-Net++,或者与其他模型如DeepLab的比较。 检查是否有遗漏点:是否解释了全卷积网络的重要性,CNN的基础,U-Net的结构细节,以及它们如何共同用于语义分割任务。需要确保每个部分都逻辑清晰,引用相关文献中的内容,如FCN为全卷积的开创工,U-Net的跳跃连接和编码器-解码器结构,以及U-Net++的改进。</think>### 语义分割、卷积神经网络与U-Net的详细解释 #### 一、语义分割(Semantic Segmentation) **定义**:语义分割是计算机视觉的核心任务之一,旨在为图像中的每个像素分配一个类别标签(如“人”“车”“天空”),从而实现对图像内容的像素级理解。其核心挑战在于保持空间分辨率的同时提取高层语义信息[^1]。 **技术特点**: 1. **全卷积网络(FCN)**:传统CNN的全连接层会固定输入尺寸,而FCN通过全卷积结构支持任意尺寸输入,并通过反卷积层逐步恢复空间分辨率[^1]。 2. **上采样与特征融合**:通过跳跃连接(skip connection)将编码器的低层细节特征与解码器的高层语义特征融合,提升分割精度(如U-Net)[^3]。 **应用场景**:自动驾驶(道路识别)、医学影像分析(器官分割)、卫星图像解译等。 --- #### 二、卷积神经网络(Convolutional Neural Network, CNN) **核心结构**: 1. **卷积层**:通过滑动窗口提取局部特征(如边缘、纹理),参数共享减少计算量。 2. **池化层**(如最大池化):降低特征图尺寸,增强平移不变性。 3. **非线性激活**(如ReLU):引入非线性表达能力。 **与语义分割的关联**: - CNN的层次化特征提取能力为语义分割提供基础,但需结合反卷积(转置卷积)恢复分辨率,并设计跳跃连接弥补下采样的信息损失[^3]。 --- #### 三、U-Net网络 **设计思想**: 1. **编码器-解码器结构**: - **编码器(左半部分)**:通过卷积和池化逐步下采样,提取抽象语义特征。 - **解码器(右半部分)**:通过反卷积上采样,逐步恢复空间分辨率。 2. **跳跃连接**:将编码器各层的特征图与解码器对应层连接,融合低级细节与高级语义信息,解决下采样中的信息丢失问题[^3]。 $$ \text{U-Net输出} = \text{解码特征} \oplus \text{跳跃连接特征} $$ **改进版本**: - **U-Net++**:引入嵌套跳跃路径和深度监督,通过密集连接增强特征复用,提升分割精度[^2]。 - **应用场景**:医学图像分割(如细胞、器官)、小样本学习。 --- #### 四、关键技术与对比 | 技术 | FCN[^1] | U-Net[^3] | U-Net++[^2] | |---------------|-----------------------|-------------------------|--------------------------| | **核心改进** | 全卷积结构 | 跳跃连接+对称结构 | 嵌套跳跃路径+深度监督 | | **输入尺寸** | 任意尺寸 | 需适配跳跃连接尺寸 | 灵活设计 | | **典型应用** | 自然图像分割 | 医学影像分割 | 复杂边界精细分割 | ---
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