图像语义分割 -- U-Net

一：FCN回顾

上一博文我们学习了FCN，有不同的特征融合版本。
至于为什么要进行特征能融合呢？由于池化操作的存在，浅层卷积视野小，具体一些，细节更加详细，越深层的视野大，图像越小，越粗粒度，细节也是越来越模糊，所以，下采样的好处是，带来了感受域的提升，同时也减少计算量，但是却忽略了很多细节，让图像变得平湖模糊，因此，作者将浅层的细节特征也进行了特征融合。

较浅的卷积层（靠前的）的感受域比较小，学习感知细节部分的能力强，较深的隐藏层 (靠后的)，感受域相对较大，适合学习较为整体的、相对更宏观一些的特征。
所以在较深的卷积层上进行反卷积还原，自然会丢失很多细节特征。
于是我们会在反卷积步骤时，考虑采用一部分较浅层的反卷积信息辅助叠加，更好的优化分割结果的精度：

至于效果具体是如何呢？

作者在原文种给出3种网络结果对比，明显可以看出效果：FCN-32s < FCN-16s < FCN-8s，即使用多层feature融合有利于提高分割准确性。

二：U-Net
Unet 基于 Encoder-Decoder 结构，通过拼接的方式实现特征融合，结构简明且稳定，如果你有语义分割的问题，尤其在样本数据量不大的情况下，表现还是可以的。其图示如下：

如上图，Unet 网络结构是对称的，形似英文字母 U 所以被称为 Unet。整张图都是由蓝/白色框与各种颜色的箭头组成，其中，蓝/白色框表示 feature map；蓝色箭头表示 3x3 卷积，用于特征提取；灰色箭头表示 skip-connection，用于特征融合；红色箭头表示池化 pooling，用于降低维度；绿色箭头表示上采样 upsample，用于恢复维度；青色箭头表示 1x1 卷积，用于输出结果。

Encoder 由卷积操作和下采样操作组成，文中所用的卷积结构统一为 3x3 的卷积核，padding 为 0 ，striding 为 1。pytorch 代码：

nn.Sequential(nn.Conv2d(in_channels, out_channels, 3),
              nn.BatchNorm2d(out_channels),
              nn.ReLU(inplace=True))

另外，Encoder中的下采样采用的是maxpooling。pytorch 代码：

nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)

Decoder中feature map 经过 Decoder 恢复原始分辨率，该过程除了卷积比较关键的步骤就是 upsampling 与 skip-connection。

Upsampling 上采样常用的方式有两种：1.FCN 中介绍的反卷积；2. 插值。其中在插值方法中，bilinear 双线性插值的综合表现较好也较为常见。pytorch 代码：

nn.Upsample(scale_factor=2, mode='bilinear')

可用以下例子看看bilinear插值的效果。

import torch
from torch import nn

x = torch.rand(2, 3, 3, 2)
model = nn.Upsample(scale_factor=2, mode='bilinear', align_corners=True)  # [2, 3, 6, 4]
model = nn.Upsample(scale_factor=3, mode='bilinear', align_corners=True)  # [2, 3, 9, 6]
y = model(x)
print(y.shape)

FNN 网络要想获得好效果，skip-connection 基本必不可少。Unet 的Decoder中这一关键步骤融合了底层信息的位置信息与深层特征的语义信息，pytorch 代码：

torch.cat([low_layer_features, deep_layer_features], dim=1)

这里需要注意的是，FCN 中深层信息与浅层信息融合是通过对应像素相加的方式，而 Unet 是通过拼接的方式。测试代码如下：

import torch
from torch import nn

low_layer_features = torch.rand(2, 3, 3, 2)
deep_layer_features = torch.rand(2, 3, 3, 2)
y = torch.cat([low_layer_features, deep_layer_features], dim=1)  # [2, 6, 3, 2]
print(y.shape)

三：U-Net具体代码实现
好了，U-Net的结构也是分析完了，关键的步骤操作和试验也差不多了，现在我们来搭建下U-Net网络吧。完整代码如下：

from torch import nn
import torch


class UNet(nn.Module):
    def __init__(self, in_channels=1, num_classes=2):  # num_classes，此处为 二分类值为2
        super(UNet, self).__init__()
        # == Encoder ==
        # 1. extract feayures, conv1
        self.conv1 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(in_channels, 64, 3),
            nn.BatchNorm2d(64),
            nn.ReLU(inplace=True),

            nn.Conv2d(64, 64, 3),
            nn.BatchNorm2d(64),
            nn.ReLU(inplace=True)
        )
        self.subpool1 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)

        # 2. extract feayures, conv2
        self.conv2 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(64, 128, 3),
            nn.BatchNorm2d(128),
            nn.ReLU(inplace=True),

            nn.Conv2d(128, 128, 3),
            nn.BatchNorm2d(128),
            nn.ReLU(inplace=True)
        )
        self.subpool2 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)

        # 3. extract feayures, conv3
        self.conv3 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(128, 256, 3),
            nn.BatchNorm2d(256),
            nn.ReLU(inplace=True),

            nn.Conv2d(256, 256, 3),
            nn.BatchNorm2d(256),
            nn.ReLU(inplace=True)
        )
        self.subpool3 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)

        # 4. extract feayures, conv4
        self.conv4 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(256, 512, 3),
            nn.BatchNorm2d(512),
            nn.ReLU(inplace=True),

            nn.Conv2d(512, 512, 3),
            nn.BatchNorm2d(512),
            nn.ReLU(inplace=True)
        )
        self.subpool4 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)

        # 5. extract feayures, conv5
        self.conv5 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(512, 1024, 3),
            nn.BatchNorm2d(1024),
            nn.ReLU(inplace=True),

            nn.Conv2d(1024, 512, 3),
            nn.BatchNorm2d(512),
            nn.ReLU(inplace=True)
        )

        # == Decoder ==
        self.uppool1 = nn.Upsample(scale_factor=2, mode='bilinear', align_corners=True)
        self.conv6 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(1024, 512, 3),
            nn.BatchNorm2d(512),
            nn.ReLU(inplace=True),

            nn.Conv2d(512, 256, 3),
            nn.BatchNorm2d(256),
            nn.ReLU(inplace=True)
        )

        self.uppool2 = nn.Upsample(scale_factor=2, mode='bilinear', align_corners=True)
        self.conv7 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(512, 256, 3),
            nn.BatchNorm2d(256),
            nn.ReLU(inplace=True),

            nn.Conv2d(256, 128, 3),
            nn.BatchNorm2d(128),
            nn.ReLU(inplace=True)
        )

        self.uppool3 = nn.Upsample(scale_factor=2, mode='bilinear', align_corners=True)
        self.conv8 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(256, 128, 3),
            nn.BatchNorm2d(128),
            nn.ReLU(inplace=True),

            nn.Conv2d(128, 64, 3),
            nn.BatchNorm2d(64),
            nn.ReLU(inplace=True)
        )

        self.uppool4 = nn.Upsample(scale_factor=2, mode='bilinear', align_corners=True)
        self.conv9 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(128, 64, 3),
            nn.BatchNorm2d(128),
            nn.ReLU(inplace=True),

            nn.Conv2d(64, 64, 3),
            nn.BatchNorm2d(64),
            nn.ReLU(inplace=True),

            nn.Conv2d(64, num_classes, 1),
            nn.BatchNorm2d(num_classes),
            nn.ReLU(inplace=True)
        )

    def forward(self, x):
        # === encoder
        conv1 = self.conv1(x)
        conv1_sub = self.subpool1(conv1)

        conv2 = self.conv2(conv1_sub)
        conv2_sub = self.subpool2(conv2)

        conv3 = self.conv3(conv2_sub)
        conv3_sub = self.subpool3(conv3)

        conv4 = self.conv4(conv3_sub)
        conv4_sub = self.subpool4(conv4)

        conv5 = self.conv5(conv4_sub)  # U型的最低端，它既是是encoder输出，也是decoder的输入。

        # === deoder
        conv1_up = self.uppool1(conv5)
        conv6 = self.conv6(torch.cat([conv4, conv1_up], dim=1))

        conv2_up = self.uppool2(conv6)
        conv7 = self.conv7(torch.cat([conv3, conv2_up], dim=1))

        conv3_up = self.uppool3(conv7)
        conv8 = self.conv8(torch.cat([conv2, conv3_up], dim=1))

        conv4_up = self.uppool4(conv8)
        conv9 = self.conv9(torch.cat([conv1, conv4_up], dim=1))

        return conv9


if __name__ == '__main__':
    # model = VGGTest()
    x = torch.rand(64, 1, 572, 572)
    print(x.shape)

    model = UNet(in_channels=x.shape[1])
    # print(model)
    y = model(x)
    print(y.shape)

四：和FCN的区别对比
U-Net采用了与FCN完全不同的特征融合方式
与FCN逐点相加不同，U-Net采用将特征在channel维度拼接在一起，形成更“厚”的特征。所以：
语义分割网络，在浅层和深层特征融合时也有2种办法：

1. FCN式的浅层特征和深层特征逐点相加。
2. U-Net式的channel维度拼接融合。
   相比其他大型网络，FCN/U-Net还是蛮简单的，就不多废话了。
   总结一下，CNN图像语义分割也就基本上是这个套路：
3. 下采样+上采样：Convlution + Deconvlution／Resize
4. 多层次特征融合：特征逐点相加／特征channel维度拼接
5. 获得像素级别的segement map：对每一个像素点进行判断类别