基于深度特征融合的图像语义分割

在图像语义分割中使用卷积网络进行特征提取时,由于最大池化和下采样操作的重复组合引起了特征分辨率降低,从而导致上下文信息丢失,使得分割结果失去对目标位置的敏感性。虽然基于编码器-解码器架构的网络通过跳跃连接在恢复分辨率的过程中逐渐细化了输出精度,但其将相邻特征简单求和的操作忽略了特征之间的差异性,容易导致目标局部误识别等问题。为此,文中提出了基于深度特征融合的图像语义分割方法。该方法采用多组全卷积VGG16模型并联组合的网络结构,结合空洞卷积并行高效地处理金字塔中的多尺度图像,提取了多个层级的上下文特征,并通过自顶向下的方法逐层融合,最大限度地捕获上下文信息;同时,以改进损失函数而得到的逐层标签监督策略为辅助支撑,联合后端像素建模的全连接条件随机场,无论是在模型训练的难易程度还是预测输出的精度方面都有一定的优化。实验数据表明,通过对表征不同尺度上下文信息的各层深度特征进行逐层融合,图像语义分割算法在目标对象的分类和空间细节的定位方面都有所提升。在PASCAL VOC 2012和PASCAL CONTEXT两个数据集上获得的实验结果显示,所提方法分别取得了80.5%和45.93%的mIoU...     

深度学习实时语义分割算法研究综述

语义分割是从像素的角度分割出图片中的不同对象,并对原始图片中的每个像素进行标注的一种技术。但由于无人机导航、遥感图像、医疗诊断等应用领域需要实时地进行语义分割处理。所以,基于深度学习的实时语义分割技术得到了迅速的发展。实时语义分割技术发展至今已有许多的技术与模型。基于此,在对相关文献进行研究的基础上,由语义分割技术引出了实时语义分割技术,并简单叙述了实时语义分割的优点。随后,研讨出目前实时语义分割存在的重难点。根据重难点进而对已存在的相关技术与模型进行阐述,并总结技术与模型的优缺点。最后,展望实时语义分割所面临的挑战,并对实时语义分割进行了总结与归纳,为后续的研讨提供了一些理论参考。     

深度学习实时语义分割研究进展和挑战

语义分割作为计算机视觉领域的重要研究方向之一,应用十分广泛。其目的是根据预先定义好的类别对输入图像进行像素级别的分类。实时语义分割则在一般语义分割的基础上又增加了对速度的要求,广泛应用于如无人驾驶、医学图像分析、视频监控与航拍图像等领域。其要求分割方法不仅要取得较高的分割精度,且分割速度也要快。随着深度学习和神经网络的快速发展,实时语义分割也取得了一定的研究成果。本文在前人已有工作的基础上对基于深度学习的实时语义分割算法进行系统的归纳总结,包括基于Transformer和剪枝的方法等,全面介绍实时语义分割方法在各领域中的应用。首先介绍实时语义分割的概念,再根据标签的数量和质量,将现有的基于深度学习的实时语义分割方法分为强监督学习、弱监督学习和无监督学习3个类别。在分类的基础上,结合各个类别中最具有代表性的方法,对其优缺点展开分析,并从多个角度进行比较。随后介绍目前实时语义分割常用的数据集和评价指标,并对比分析各算法在各数据集上的实验效果,阐述现阶段实时语义分割的应用场景。最后,讨论了基于深度学习的实时语义分割存在的挑战,并对实时语义分割未来值得研究的方向进行展望,为研究者们解决存在的问题提供便利。     

基于多路径特征提取的实时语义分割方法

深度学习在图像语义分割领域的应用极大地提升了分割精确度,但由于深度学习网络在速度、内存等方面的限制,其并不能直接应用于嵌入式设备进行实时分割。针对语义分割模型存在的的网络结构复杂和计算开销巨大的问题,提出了结合边缘检测算法的多路径特征提取的实时语义分割算法。模型通过Sobel算子、Scharr算子和Laplacian算子对图像的轮廓信息进行提取。算法设计了空间路径提取图像的空间位置信息、语义路径提取图像高级语义信息,以及通过边缘检测路径提取图像中具有代表性的纹理特征,并采用Ghost轻量化模块来减少模型参数量,提高算法的分割速度。在480像素×360像素的CamVid数据集上的实验结果表明,在3种边缘检测算子上,模型的分割准确率均能得到有效提升,尤其是在加入3×3大小的Sobel算子下算法的性能提升最为明显,在CamVid测试集图像处理速度为349 frames/s的基础上,分割精度达到了42.9%。所提算法在分割精度和分割速度上均取得了较好的效果,在实时性和准确性之间达到了很好的平衡。     

增强细节的RGB‐IR多通道特征融合语义分割网络

现有基于深度学习的语义分割方法对于遥感图像的地物边缘分割不准确,小地物分割效果较差,并且RGB图像质量也会严重影响分割效果。提出一种增强细节的RGB-IR多通道特征融合语义分割网络MFFNet。利用细节特征抽取模块获取RGB和红外图像的细节特征并进行融合,生成更具区分性的特征表示并弥补RGB图像相对于红外图像所缺失的信息。在融合细节特征和高层语义特征的同时,利用特征融合注意力模块自适应地为每个特征图生成不同的注意力权重,得到具有准确语义信息和突出细节信息的优化特征图。将细节特征抽取模块和特征融合注意力模块结构在同一层级上设计为相互对应,从而与高层语义特征进行融合时抑制干扰或者无关细节信息的影响,突出重要关键细节特征,并在特征融合注意力模块中嵌入通道注意力模块,进一步加强高低层特征有效融合,产生更具分辨性的特征表示,提升网络的特征表达能力。在公开的Postdam数据集上的实验结果表明,MFFNet的平均交并比为70.54%,较MFNet和RTFNet分别提升3.95和4.85个百分点,并且对于边缘和小地物的分割效果提升显著。     

深度学习实时语义分割综述

语义分割是计算机视觉领域的一项像素级别的感知任务,目的是为图像中的每个像素分配相应类别标签,具有广泛应用。许多语义分割网络结构复杂,计算量和参数量较大,在对高分辨率图像进行像素层次的理解时具有较大的延迟,这极大限制了其在资源受限环境下的应用,如自动驾驶、辅助医疗和移动设备等。因此,实时推理的语义分割网络得到了广泛关注。本文对深度学习中实时语义分割算法进行了全面论述和分析。1）介绍了语义分割和实时语义分割任务的基本概念、应用场景和面临问题;2）详细介绍了实时语义分割算法中常用的技术和设计,包括模型压缩技术、高效卷积神经网络（convolutional neural network,CNN）模块和高效Transformer模块;3）全面整理和归纳了现阶段的实时语义分割算法,包括单分支网络、双分支网络、多分支网络、U型网络和神经架构搜索网络5种类别的实时语义分割方法,涵盖基于CNN、基于Transformer和基于混合框架的分割网络,并分析了各类实时语义分割算法的特点和局限性;4）提供了完整的实时语义分割评价体系,包括相关数据集和评价指标、现有方法性能汇总以及领域主流方法的同设备比较,为后续研究者提供统一的比较标准;5）给出结论并分析了实时语义分割领域仍存在的挑战,对实时语义分割领域未来可能的研究方向提出了相应见解。本文提及的算法、数据集和评估指标已汇总至https://github.com/xzz777/Awesome-Real-time-Semantic-Segmentation,以便后续研究者使用。     

深度学习多模态图像语义分割前沿进展

图像语义分割旨在将视觉场景分解为不同的语义类别实体,实现对图像中每一个像素的类别预测。多模态图像语义分割通过联合利用不同模态图像（即通过基于不同成像机理的传感器获取的图像）间的互补特性,能够全面且准确地实现复杂场景信息的学习与推理。目前基于深度学习的多模态图像语义分割前沿成果较多,但缺少系统且全面的调研与分析。本文首先总结并分析了目前主流的基于深度学习的可见光—热红外（red-green-bluethermal,RGB-T）图像语义分割算法和可见光—深度（red-green-blue-depth,RGB-D）图像语义分割算法。依据算法侧重点不同,将基于深度学习的RGB-T图像语义分割算法划分为基于图像特征增强的方法、基于多模态图像特征融合的方法和基于多层级图像特征交互的方法;依据算法对深度信息的利用方式,将基于深度学习的RGB-D图像语义分割算法划分为基于深度信息提取的方法和基于深度信息引导的方法。然后,介绍了多模态图像语义分割算法常用的客观评测指标以及数据集,并在常用数据集上对上述算法进行对比。对于RGB-T图像语义分割,在MFNet（multi-spectral fusion network）数据集上,GMNet （graded-feature multilabel-learning network）和MFFENet （multiscale feature fusion and enhancement network）分别取得了最优的类平均交并比（mean intersection-over-union per class,mIoU）（57.3%）和类平均精度（mean accuracy per class,mAcc）（74.3%）值。在PST900（PENN subterranean thermal 900）数据集上,GMNet仍然取得了最优的mIoU（84.12%）值,而EGFNet取得了最优的mAcc（94.02%）值。对于RGB-D图像语义分割,在NYUD v2（New York University depth dataset v2）数据集上,GLPNet（global-local propagation network）的mIoU和mAcc分别达到了54.6%和66.6%,取得最优性能。而在SUN-RGBD（scene understanding-RGB-D）数据集上,Zig-Zag的mIoU为51.8%,GLPNet的mAcc为63.3%,均为最优性能。最后,本文还指出了多模态图像语义分割领域未来可能的发展方向。     

基于区块自适应特征融合的图像实时语义分割

近年来结合深度学习的图像语义分割方法日益发展, 并在机器人、自动驾驶等领域中得到应用. 本文提出一种基于区块自适应特征融合(Block adaptive feature fusion, BAFF) 的实时语义分割算法, 该算法在轻量卷积网络架构上, 对前后文特征进行分区块自适应加权融合, 有效提高了实时语义分割精度. 首先, 分析卷积网络层间分割特征的感受野对分割结果的影响, 并在跳跃连接结构(SkipNet) 上提出一种特征分区块加权融合机制; 然后, 采用三维卷积进行层间特征整合, 建立基于深度可分离的特征权重计算网络. 最终, 在自适应加权作用下实现区块特征融合. 实验结果表明, 本文算法能够在图像分割的快速性和准确性之间做到很好的平衡, 在复杂场景分割上具有较好的鲁棒性.     

基于语义重定位的语义分割并行网络

语义分割任务是对图像进行像素级别的分类预测,其难点在于对像素级别的准确预测和物体的边缘划分.现有方法大多采用基于编解码结构的网络模型,通过下采样快速扩充网络的感受野,但连续的下采样对特征图的空间信息造成了不可逆转的损失,为此,提出一种基于语义重定位的并行网络.设计了一条全局空间路径,在保持高分辨率的情况下提取丰富的空间...     

基于高效深度瓶颈结构的实时语义分割方法

针对现阶段语义分割方法参数量多、计算成本高,难以满足实际场景需求的问题,提出了一种基于高效深度瓶颈结构的轻量级实时语义分割方法(GDBNet)。首先,利用分解卷积和扩张卷积的有效结合构建出高效深度瓶颈结构,并以一种轻量并高效的方式提取局部上下文信息;然后,将该结构堆叠来获取多尺度的语义信息;最后,通过注意力融合连接模块聚合多尺度的上下文信息并指导特征选择,以此提高分割效果。在不经过任何预训练和后处理的情况下,GDBNet在Cityscapes和Camvid数据集上以140.0 FPS和143.7 FPS的推理速度分别达到了72.91%和68.84%平均交并比的准确度并且参数量仅为0.66 M。该方法在Cityscapes数据集上,相比于同类型深度非对称瓶颈网络(DABNet),准确度提高了2.81百分点,推理速度上升了35.8 FPS,并且参数量降低了0.1 M;在Camvid数据集上,与SPMNet方法相比,准确度提高了1.54百分点,同时参数量和推理速度也更优。实验结果表明：所提方法在满足实时性要求的前提下,能较为准确地识别场景信息。     

结合全局注意力机制的实时语义分割网络

针对轻量化网络结构从特征图提取有效语义信息不足,以及语义信息与空间细节信息融合模块设计不合理而导致分割精度降低的问题,本文提出一种结合全局注意力机制的实时语义分割网络(global attention mechanism with real time semantic segmentation network ,GaSeNet)。首先在双分支结构的语义分支中引入全局注意力机制,在通道与空间两个维度引导卷积神经网来关注与分割任务相关的语义类别,以提取更多有效语义信息;其次在空间细节分支设计混合空洞卷积块,在卷积核大小不变的情况下扩大感受野,以获取更多全局空间细节信息,弥补关键特征信息损失。然后重新设计特征融合模块,引入深度聚合金塔池化,将不同尺度的特征图深度融合,从而提高网络的语义分割性能。最后将所提出的方法在CamVid数据集和Vaihingen数据集上进行实验,通过与最新的语义分割方法对比分析可知,GaSeNet在分割精度上分别提高了4.29%、16.06%,实验结果验证了本文方法处理实时语义分割问题的有效性。     

融合深层差异特征的RGB-T巢式语义分割网络

针对现存可见光—红外（RGB-T）图像语义分割模型分割性能不高的问题,提出一种基于深层差异特征互补融合的巢式分割网络。具体来说,网络的编码和解码部分通过多级稠密中间路径相连形成一个嵌套形式的结构,编码器的深浅特征通过多级路径供解码器实现密集的多尺度特征复用,另一方面多模态深层特征通过特征差异性融合策略增强其语义表达能力。实验结果表明,所提网络在MFNet数据集上实现了65.8%的平均准确率和54.7%的平均交并比,与其他先进RGB-T分割模型相比,具有更优越的分割能力。     

面向部件分割的PointNet注意力加权特征聚合网络

为解决PointNet最大池化损失次要特征导致部件分割精度降低的问题,提出一种面向部件分割的PointNet注意力加权特征聚合网络,能够充分利用点云的不同特征进行部件分割。首先利用多层感知机提取点云的空间几何特征,将特征乘以共享权重矩阵,以获取每个点的每一个特征的注意力分数;接着把归一化的分数作为权重乘以对应的全局特征并求和,得到聚合的全局特征;最后使用多层感知机将聚合的特征映射到部件分割结果。实验结果表明,相比于传统PointNet方法,该方法提升了部件分割的总平均交并比,同时在网络鲁棒性和计算复杂度方面具有显著优势。该方法有效优化了PointNet。     

基于可分离金字塔的轻量级实时语义分割算法

针对现有语义分割算法参数量过多、内存占用巨大导致其很难满足自动驾驶需要等现实应用的问题,提出一种基于可分离金字塔模块（SPM）的新颖、有效且轻量的实时语义分割算法。首先,利用特征金字塔形式的分解卷积和扩张卷积来构建瓶颈结构,从而以一种简单但有效的方式提取局部和上下文信息;然后,提出基于计算机视觉注意力的上下文通道注意力（CCA）模块,来利用深层语义修改浅层特征图通道权重优化分割效果。实验结果显示：所提出的算法在Cityscapes测试集上以每秒91帧的速度达到了71.86%的平均交并比（mIoU）。相较高效残差分解卷积网络（ERFNet）,所提算法mIoU提高了3.86个百分点,处理速度是其2.2倍;与最新的非局部高效实时算法（LRNNet）相比,所提算法mIoU略低0.34个百分点,但处理速度每秒上升了20帧。实验结果表明,所提算法有助于完成如自动驾驶中要求的高效、准确的街道场景图像分割任务。     

Lightweight and efficient asymmetric network design for real-time semantic segmentation

Applied Intelligence - With the increasing demand for application scenarios such as autonomous driving and drone aerial photography, it has become a challenging problem that how to achieve the best...     

基于深度学习的轻量级道路图像语义分割算法

针对深度学习中道路图像语义分割模型参数量巨大以及计算复杂,不适合于部署在移动端进行实时分割的问题,提出了一种使用深度可分离卷积构建的轻量级对称U型编码器-解码器式的图像语义分割网络MUNet.首先设计出U型编码器-解码器式网络;其次,在卷积块之间设计稀疏短连接;最后,引入了注意力机制与组归一化(GN)方法,从而在减少模...     

Joint pyramid attention network for real-time semantic segmentation of urban scenes

Applied Intelligence - Semantic segmentation is an advanced research topic in computer vision and can be regarded as a fundamental technique for image understanding and analysis. However, most of...     

基于卷积神经网络的语义分割算法研究

针对语义分割中残差网络并不能完好地提取图像信息和分割效果差的问题,提出一种联合特征金字塔模型(JFP)用来融合残差网络的输出特征,并结合暗黑空间金字塔池化模型(ASPP)进一步提取特征。在解码部分应用简单的解码结构,恢复图像尺寸完成语义分割;同时引入注意力模型作为辅助语义分割网络,辅助神经网络进行训练。该方法分别在Pascal VOC 2012数据集和增强的Pascal VOC 2012数据集上对网络进行训练,并在Pascal VOC 2012的验证集上进行测试,其平均交并集之比(mIoU)分别达到了78.55%和80.14%,表明该方法具有良好的语义分割性能。     

基于路径聚合扩张卷积的图像语义分割方法

基于编码器-解码器的深度全卷积神经网络在图像语义分割中取得了重大的进展,但是深度网络中网络低层定位信息传播到网络高层路径过长,导致解码阶段难以利用低层定位信息来恢复物体边界结构,针对这一问题,提出了一种应用在分割网络解码器部分的路径聚合结构.该结构缩短了分割网络中低层信息到高层信息的传播路径并提供多尺度的上下文语义信息...