基于深度学习的弱监督语义分割方法综述

语义分割是计算机视觉领域的基本任务,旨在为每个像素分配语义类别标签,实现对图像的像素级理解。得益于深度学习的发展,基于深度学习的全监督语义分割方法取得了巨大进展。然而,这些方法往往需要大量带有像素级标注的训练数据,标注成本巨大,限制了其在诸如自动驾驶、医学图像分析以及工业控制等实际场景中的应用。为了降低数据的标注成本并进一步拓宽语义分割的应用场景,研究者们越来越关注基于深度学习的弱监督语义分割方法,希望通过诸如图像级标注、最小包围盒标注、线标注和点标注等弱标注信息实现图像的像素级分割预测。首先对语义分割任务进行了简要介绍,并分析了全监督语义分割所面临的困境,从而引出弱监督语义分割。然后,介绍了相关数据集和评估指标。接着,根据弱标注的类型和受关注程度,从图像级标注、其他弱标注以及大模型辅助这3个方面回顾和讨论了弱监督语义分割的研究进展。其中,第2类弱监督语义分割方法包括基于最小包围盒、线和点标注的弱监督语义分割。最后,分析了弱监督语义分割领域存在的问题与挑战,并就其未来可能的研究方向提出建议,旨在进一步推动弱监督语义分割领域研究的发展。     

深度卷积神经网络图像语义分割研究进展

在计算机视觉领域中,语义分割是场景解析和行为识别的关键任务,基于深度卷积神经网络的图像语义分割方法已经取得突破性进展。语义分割的任务是对图像中的每一个像素分配所属的类别标签,属于像素级的图像理解。目标检测仅定位目标的边界框,而语义分割需要分割出图像中的目标。本文首先分析和描述了语义分割领域存在的困难和挑战,介绍了语义分割算法性能评价的常用数据集和客观评测指标。然后,归纳和总结了现阶段主流的基于深度卷积神经网络的图像语义分割方法的国内外研究现状,依据网络训练是否需要像素级的标注图像,将现有方法分为基于监督学习的语义分割和基于弱监督学习的语义分割两类,详细阐述并分析这两类方法各自的优势和不足。本文在PASCAL VOC（pattern analysis, statistical modelling and computational learning visual object classes）2012数据集上比较了部分监督学习和弱监督学习的语义分割模型,并给出了监督学习模型和弱监督学习模型中的最优方法,以及对应的MIoU（mean intersection-over-union）。最后,指出了图像语义分割领域未来可能的热点方向。     

深度卷积神经网络图像实例分割方法研究进展

图像实例分割是图像处理和计算机视觉技术中关于图像理解的重要环节,随着深度学习和深层卷积神经网络日趋成熟,基于深度卷积神经网络的图像实例分割方法取得了跨越性进展.实例分割任务实际上是目标检测和语义分割两项任务的结合,可以在像素层面完成识别图像中目标轮廓的任务.实例分割不仅可以定位图像中目标的位置,从像素层面上分割所有目标...     

图像级标记弱监督目标检测综述

目标检测是计算机视觉领域的基本任务之一，根据标签信息的不同，可分为全监督目标检测、半监督目标检测和弱监督目标检测等。弱监督目标检测旨在仅利用图像级别的类别标记信息训练检测器，从而完成对测试图像中所有目标物体的定位和分类。因能够显著降低数据标记成本，弱监督目标检测愈发受到关注且已取得令人瞩目的进展。本文由弱监督目标检测的研究意义引入，首先介绍了弱监督目标检测的标签设置及问题定义、基于多示例学习的基础框架和面临的局部主导、实例歧义和计算消耗这3大难题，接着按核心网络架构将该领域的典型算法归纳为3大类，分别是基于优化候选框生成的算法、结合图像分割的算法和基于自训练的算法，并分别阐述各类算法的核心贡献。进一步地，本文通过实验在多种评估指标上对比了各类弱监督目标检测算法的检测效果。在VOC2007(visual object classes 2007)数据集中，平均精度均值（mean average precision,mAP）最高的方法为MIST(multiple instance self-training)算法（54.9%），正确定位率（correct localization,CorLo...     

动态生成掩膜弱监督语义分割

目的 传统图像语义分割需要的像素级标注数据难以大量获取,图像语义分割的弱监督学习是当前的重要研究方向。弱监督学习是指使用弱标注样本完成监督学习,弱标注比像素级标注的标注速度快、标注方式简单,包括散点、边界框、涂鸦等标注方式。方法 针对现有方法对多层特征利用不充分的问题,提出了一种基于动态掩膜生成的弱监督语义分割方法。该方法以边界框作为初始前景分割轮廓,使用迭代方式通过卷积神经网络（convolutional neural network,CNN） 多层特征获取前景目标的边缘信息,根据边缘信息生成掩膜。迭代的过程中首先使用高层特征对前景目标的大体形状和位置做出估计,得到粗略的物体分割掩膜。然后根据已获得的粗略掩膜,逐层使用CNN 特征对掩膜进行更新。结果 在Pascal VOC（visual object classes） 2012 数据集上取得了78.06% 的分割精度,相比于边界框监督、弱—半监督、掩膜排序和实例剪切方法,分别提高了14.71%、4.04%、3.10% 和0.92%。结论 该方法能够利用高层语义特征,减少分割掩膜中语义级别的错误,同时使用底层特征对掩膜进行更新,可以提高分割边缘的准确性。     

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。     

一种基于点标注的弱监督目标检测方法

近年来,弱监督目标检测在计算机视觉和机器学习领域获得了广泛的关注.点标注是弱标注的形式之一,它依赖人工标注,为图像中的每一个物体赋予一个标注点.尽管在过去的几年中,出现了许多基于深度学习的弱监督目标检测算法,但当前基于点标注的弱监督目标检测的探索仍处于空白.考虑到点标注可以为弱监督目标检测提供丰富的、与感兴趣物体相关的...     

全监督学习的图像语义分割方法研究进展

近年来,随着深度学习进入计算机视觉领域,各种深度学习图像语义分割方法相继出现,其中全监督学习方法的分割效果显著超过弱监督学习方法.将全监督学习的图像语义分割方法分为五类,并对各类中最具有代表性的方法进行详细分析,重点阐述各种方法核心部分的实现过程.对语义分割领域中的主流数据集进行归纳总结,介绍了性能算法指标,并在主流数...     

全卷积语义分割与物体检测网络

目的 目前主流物体检测算法需要预先划定默认框,通过对默认框的筛选剔除得到物体框。为了保证足够的召回率,就必须要预设足够密集和多尺度的默认框,这就导致了图像中各个区域被重复检测,造成了极大的计算浪费。提出一种不需要划定默认框,实现完全端到端深度学习语义分割及物体检测的多任务深度学习模型（FCDN）,使得检测模型能够在保证精度的同时提高检测速度。方法 首先分析了被检测物体数量不可预知是目前主流物体检测算法需要预先划定默认框的原因,由于目前深度学习物体检测算法都是由图像分类模型拓展而来,被检测数量的无法预知导致无法设置检测模型的输出,为了保证召回率,必须要对足够密集和多尺度的默认框进行分类识别;物体检测任务需要物体的类别信息以实现对不同类物体的识别,也需要物体的边界信息以实现对各个物体的区分、定位;语义分割提取了丰富的物体类别信息,可以根据语义分割图识别物体的种类,同时采用语义分割的思想,设计模块提取图像中物体的边界关键点,结合语义分割图和边界关键点分布图,从而完成物体的识别和定位。结果 为了验证基于语义分割思想的物体检测方法的可行性,训练模型并在VOC（visual object classes）2007 test数据集上进行测试,与目前主流物体检测算法进行性能对比,结果表明,利用新模型可以同时实现语义分割和物体检测任务,在训练样本相同的条件下训练后,其物体检测精度优于经典的物体检测模型;在算法的运行速度上,相比于FCN,减少了8 ms,比较接近于YOLO（you only look once）等快速检测算法。结论 本文提出了一种新的物体检测思路,不再以图像分类为检测基础,不需要对预设的密集且多尺度的默认框进行分类识别;实验结果表明充分利用语义分割提取的丰富信息,根据语义分割图和边界关键点完成物体检测的方法是可行的,该方法避免了对图像的重复检测和计算浪费;同时通过减少语义分割预测的像素点数量来提高检测效率,并通过实验验证简化后的语义分割结果仍足够进行物体检测任务。     

基于深度学习的实例分割研究进展

目标检测确定检测图像中目标对象所在区域及其类别,语义分割对检测图像实现像素级分类,实例分割可以定义为同时解决目标检测与语义分割问题,在分类的同时确定每个目标实例语义。实例分割网络在无人机驾驶、机器人抓取、工业筛检等领域具有重要应用意义,针对目前基于深度学习实例分割综述性文章的空白,对实例分割进展进行概述,按照单阶段实例分割与双阶段实例分割的分类对不同网络模型进行论述,重点介绍近两年网络框架的发展,总结各网络特点的同时提出未来发展方向。     

显著性引导的目标互补隐藏弱监督语义分割

目的 图像级弱监督语义分割方法利用类别标签训练分割网络,可显著降低标注成本。现有方法大多采用类激活图定位目标物体,然而传统类激活图只能挖掘出物体中最具辨识性的区域,直接将其作为伪标签训练的分割网络精度较差。本文提出一种显著性引导的弱监督语义分割算法,可在获取更完整类激活图的基础上提高分割模型的性能。方法 首先通过显著图对目标进行互补随机隐藏,以获得互补图像对,然后融合互补图像对的类激活图作为监督,提高网络获取完整类激活图的能力。其次引入双重注意力修正模块,利用全局信息修正类激活图并生成伪标签训练分割网络。最后使用标签迭代精调策略,结合分割网络的初始预测、类激活图以及显著图生成更精确的伪标签,迭代训练分割网络。结果 在PASCAL VOC 2012(pattern analysis,statistical modeling and computational learning visual object classes 2012)数据集上进行类激活图生成实验与语义分割实验,所生成的类激活图更加完整,平均交并比有10.21%的提升。语义分割结果均优于对比方法,平均交并比提升6.9%。此外在...     

基于对象位置线索的弱监督图像语义分割方法

深度卷积神经网络使用像素级标注,在图像语义分割任务中取得了优异的分割性能.然而,获取像素级标注是一项耗时并且代价高的工作.为了解决这个问题,提出一种基于图像级标注的弱监督图像语义分割方法.该方法致力于使用图像级标注获取有效的伪像素标注来优化分割网络的参数.该方法分为3个步骤：（1）首先,基于分类与分割共享的网络结构,通过空间类别得分（图像二维空间上像素点的类别得分）对网络特征层求导,获取具有类别信息的注意力图;（2）采用逐次擦除法产生显著图,用于补充注意力图中缺失的对象位置信息;（3）融合注意力图与显著图来生成伪像素标注并训练分割网络.在PASCAL VOC 2012分割数据集上的一系列对比实验,证明了该方法的有效性及其优秀的分割性能.     

Weakly supervised detection with decoupled attention-based deep representation

Training object detectors with only image-level annotations is an important problem with a variety of applications. However, due to the deformable nature of objects, a target object delineated by a bounding box always includes irrelevant context and occlusions, which causes large intra-class object variations and ambiguity in object-background distinction. For this reason, identifying the object of interest from a substantial amount of cluttered backgrounds is very challenging. In this paper, we propose a decoupled attention-based deep model to optimize region-based object representation. Different from existing approaches posing object representation in a single-tower model, our proposed network decouples object representation into two separate modules, i.e., image representation and attention localization. The image representation module captures content-based semantic representation, while the attention localization module regresses an attention map which simultaneously highlights the locations of the discriminative object parts and down weights the irrelevant backgrounds presented in the image. The combined representation alleviates the impact from the noisy context and occlusions inside an object bounding box. As a result, object-background ambiguity can be largely reduced and background regions can be suppressed effectively. In addition, the proposed object representation model can be seamlessly integrated into a state-of-the-art weakly supervised detection framework, and the entire model can be trained end-to-end. We extensively evaluate the detection performance on the PASCAL VOC 2007, VOC 2010 and VOC2012 datasets. Experimental results demonstrate that our approach effectively improves weakly supervised object detection.     

细化Transformer网络的弱监督图像语义分割

图像级标签的弱监督图像语义分割方法是目前比较热门的研究方向,类激活图生成方式是最为常用的解决该类问题的主要工作方法。由于类激活图的稀疏性,导致判别区域的准确性降低。针对上述问题,提出了一种改进的Transformer网络弱监督图像学习方法。首先,引入空间注意力交换层来扩大类激活图的覆盖范围;其次,进一步设计了一个注意力自适应模块,来指导模型增强弱区域的类响应;特别地,在类生成过程中,构建了一个自适应跨域来提高模型分类性能。该方法在Pascal VOC 2012 验证集和测试集上分别达到了73.5%和73.0%。实验结果表明,细化Transformer网络学习方法有助于提高弱监督图像的语义分割性能。     

Keypoint based weakly supervised human parsing

Fully convolutional networks (FCN) have achieved great success in human parsing in recent years. In conventional human parsing tasks, pixel-level labeling is required for guiding the training, which usually involves enormous human labeling efforts. To ease the labeling efforts, we propose a novel weakly supervised human parsing method which only requires simple object keypoint annotations for learning. We develop an iterative learning method to generate pseudo part segmentation masks from keypoint labels. With these pseudo masks, we train a FCN network to output pixel-level human parsing predictions. Furthermore, we develop a correlation network to perform joint prediction of part and object segmentation masks and improve the segmentation performance. The experiment results show that our weakly supervised method is able to achieve very competitive human parsing results. Despite that our method only uses simple keypoint annotations for learning, we are able to achieve comparable performance with fully supervised methods which use the expensive pixel-level annotations.     

基于注意力机制及类别层次结构的弱监督目标定位

弱监督目标定位是指仅利用图像级的类别标注信息来训练目标定位器, 而不需要使用精确的目标位置标注信息来进行算法训练. 当前的一些方法往往只能定位出目标对象中最具鉴别性的部分而无法准确地标识出完整的目标对象, 或者易受背景无关信息干扰从而导致定位结果不精确. 为了解决上述问题, 提出一种基于注意力机制和类别层次结构的弱监督目标定位方法. 该方法通过对卷积神经网络的注意力图进行均值分割提取更完整的目标区域. 进一步, 通过类别层次结构网络实现对背景区域注意力的削弱, 从而提高对感兴趣目标的定位精度. 基于多个网络结构和公共数据集上的大量实验结果表明, 相比目前已有的弱监督定位方法, 所提方法在多个评价指标下均能够获得更好的定位效果.     

基于显著图的弱监督实时目标检测

深度卷积神经网络(Deep convolutional neural network,DCNN)在目标检测任务上使用目标的全标注来训练网络参数,其检测准确率也得到了大幅度的提升.然而,获取目标的边界框(Bounding-box)标注是一项耗时且代价高的工作.此外,目标检测的实时性是制约其实用性的另一个重要问题.为了克服这两个问题,本文提出一种基于图像级标注的弱监督实时目标检测方法.该方法分为三个子模块:1)首先应用分类网络和反向传递过程生成类别显著图,该显著图提供了目标在图像中的位置信息;2)根据类别显著图生成目标的伪标注(Pseudo-bounding-box);3)最后将伪标注看作真实标注并优化实时目标检测网络的参数.不同于其他弱监督目标检测方法,本文方法无需目标候选集合获取过程,并且对于测试图像仅通过网络的前向传递过程就可以获取检测结果,因此极大地加快了检测的速率(实时性).此外,该方法简单易用;针对未知类别的目标检测,只需要训练目标类别的分类网络和检测网络.因此本框架具有较强的泛化能力,为解决弱监督实时检测问题提供了新的研究思路.在PASCAL VOC 2007数据集上的实验表明:1)本文方法在检测的准确率上取得了较好的提升;2)实现了弱监督条件下的实时检测.