论文原文

https://arxiv.org/abs/1612.01105

摘要

本文提出的金字塔池化模块( pyramid pooling module)能够聚合不同区域的上下文信息,从而提高获取全局信息的能力。实验表明这样的先验表示(即指代PSP这个结构)是有效的，在多个数据集上展现了优良的效果。

介绍

场景解析(Scene Parsing)的难度与场景的标签密切相关。先大多数先进的场景解析框架大多数基于FCN，但FCN存在的几个问题：

Mismatched Relationship：上下文关系匹配对理解复杂场景很重要，例如在上图第一行，在水面上的大很可能是“boat”，而不是“car”。虽然“boat和“car”很像。FCN缺乏依据上下文推断的能力。
Confusion Categories：许多标签之间存在关联，可以通过标签之间的关系弥补。上图第二行，把摩天大厦的一部分识别为建筑物，这应该只是其中一个，而不是二者。这可以通过类别之间的关系弥补。
Inconspicuous Classes：模型可能会忽略小的东西，而大的东西可能会超过FCN接收范围，从而导致不连续的预测。如上图第三行，枕头与被子材质一致，被识别成到一起了。为了提高不显眼东西的分割效果，应该注重小面积物体。
总的来说，FCN不能有效的处理场景之间的信息和全局信息，为了对FCN的这些缺点加以克服，提出了PSPNet。可以融合合适的全局特征，将局部和全局信息融合到一起，并提出了一个适度监督损失的优化策略，在多个数据集state of art。
论文的主要贡献为:
提出了一个金字塔场景解析网络，能够将难解析的场景信息特征嵌入基于FCN预测框架中
在基于深度监督损失ResNet上制定有效的优化策略
构建了一个实用的系统，用于场景解析和语义分割，并包含了实施细节

PSP网络

3.1 一些观察

这个在上面已经讲了，就是FCN的缺点。

3.2 PSP 模块

在CNN中感受野可以粗略的被认为是使用上下文信息的大小，论文指出在许多网络中没有充分的获取全局信息，所以效果不好。要解决这一问题，常用方法是：

用全局平均池化处理：但这在某些数据上上可能会失去空间关系导致模糊。
由金字塔池化产生不同层次的特征最后被平滑的连接层一个FC层做分类。这样可以去除CNN固定大小的图像分类约束，减少不同区域之间的信息损失。
论文提出了一个具有层次全局优先级，包含不同子区域之间的不同尺度信息，称之为pyramid pooling module。
该模块融合了4种不同金字塔尺度的特征，第一行红色是最粗糙的特征–全局池化生成单个bin输出，后面三行是不同尺度的池化特征。为了保证全局特征的权重，如果金字塔共有N个级别，则在每个级别后使用1×11×1的卷积将对于级别通道降为原本的1/N。再通过双线性插值获得未池化前的大小，最终concat到一起。
金字塔等级的池化核大小是可以设定的，这与送到金字塔的输入有关，论文中使用的4个等级，核大小分别为 $1 \times 1$ , $2 \times 2$ , $3 \times 3$ , $6 \times 6$ 。还需要注意一点的是，基础层经过预训练的模型(ResNet101)和空洞卷积策略提取feature map,提取后的feature map是输入的1/8大小。feature map经过Pyramid Pooling Module得到融合的带有整体信息的feature，再上采样并和池化前的feature map相concat。最后过一个卷积层得到最终输出。PSPNet本身提供了一个全局上下文的先验(即指代Pyramid Pooling Module这个结构)，后面的实验会验证这一结构的有效性。

基于ResNet的深度监督网络

PSPNet的基础网络层是在ResNet101的基础上做了改进，除了使用后面的softmax分类做loss，额外的在第四阶段添加了一个辅助的loss，两个loss一起传播，使用不同的权重，共同优化参数。后续的实验证明这样做有利于快速收敛。

实验

训练超参数和训练细节为，学习率设置为"poly"衰减策略，即 $l r = l r_{b a s e} * (1 - \frac{i t e r}{m a x_{i t e r}})^{p o w e r}$ ，设置 $l r_{b a s e}$ 等于0.01， $p o w e r$ 等于0.9，衰减动量设置为0.9,。在ImageNet上设置迭代次数为150K,PASCAL VOC设置迭代次数为30K,Cityscapes设置为90K。数据增强做了随机反转，尺寸在0.5-2之间的缩放，角度在-10到10之间旋转，随机的高斯滤波。batchsize设为16，辅助损失的权重为0.4，使用caffe训练。

测试不同配置下的ResNet的性能,找到比较好的预训练模型：
可以看到做平均池化的都比最大池化效果要好，最后将多个操作结合得到最终最好的效果。
测试辅助Loss的影响

实验都是以ResNet50-Baseline为基准，最后以α=0.4α=0.4为最佳。

测试预训练模型的深度：
可以看到在测试的{50,101,152,269}这四个层次的网络中，网络越深，效果越好。
多种技巧融合：
-在ImageNet上的表现：
在PascalVOC上的表现：

在Cityscapes上的表现

结论

论文在结构上提供了一个pyramid pooling module，在不同层次上融合feature,达到语义和细节的融合。

代码实现

#coding=utf-8
from keras.models import *
from keras.layers import *
import keras.backend as K

def resize_image(inp, s):
    return Lambda(lambda  x: K.resize_images(x, height_factor=s[0], width_factor=s[1], data_format='channels_last',
                                             interpolation='bilinear'))(inp)

def pool_block(inp, pool_factor):
    h = K.int_shape(inp)[1]
    w = K.int_shape(inp)[2]
    pool_size = strides = [int(np.round( float(h) / pool_factor)), int(np.round( float(w )/ pool_factor))]
    x = AveragePooling2D(pool_size, strides=strides, padding='same')(inp)
    x = Conv2D(512, (1, 1), padding='same', use_bias=False)(x)
    x = BatchNormalization()(x)
    x = Activation('relu')(x)
    #print(strides)
    x = resize_image(x, strides)
    return x

def PSPNet(nClasses, optimizer=None, input_width=384, input_height=576):

    assert input_height%192 == 0
    assert input_width%192 == 0
    
    input_size = (input_height, input_width, 3)
    inputs = Input(input_size)
    kernel = 3
    filter_size = 64
    pad = 1
    pool_size = 2
    x = inputs
    x = (ZeroPadding2D((pad, pad)))(x)
    x = (Conv2D(filter_size, (kernel, kernel), padding='valid'))(x)
    x = (BatchNormalization())(x)
    x = (Activation('relu'))(x)
    x = (MaxPooling2D((pool_size, pool_size)))(x)
    f1 = x

    x = (ZeroPadding2D((pad, pad)))(x)
    x = (Conv2D(128, (kernel, kernel), padding='valid'))(x)
    x = (BatchNormalization())(x)
    x = (Activation('relu'))(x)
    x = (MaxPooling2D((pool_size, pool_size)))(x)
    f2 = x

    x = (ZeroPadding2D((pad, pad)))(x)
    x = (Conv2D(256, (kernel, kernel), padding='valid'))(x)
    x = (BatchNormalization())(x)
    x = (Activation('relu'))(x)
    x = (MaxPooling2D((pool_size, pool_size)))(x)
    f3 = x

    # x = (ZeroPadding2D((pad, pad)))(x)
    # x = (Conv2D(256, (kernel, kernel), padding='valid'))(x)
    # x = (BatchNormalization())(x)
    # x = (Activation('relu'))(x)
    # x = (MaxPooling2D((pool_size, pool_size)))(x)
    # f4 = x

    # x = (ZeroPadding2D((pad, pad)))(x)
    # x = (Conv2D(256, (kernel, kernel), padding='valid'))(x)
    # x = (BatchNormalization())(x)
    # x = (Activation('relu'))(x)
    # x = (MaxPooling2D((pool_size, pool_size)))(x)
    # f5 = x

    o = f3
    pool_factors = [1, 2, 3, 6]
    pool_outs = [o]
    for p in pool_factors:
        pooled = pool_block(o, p)
        pool_outs.append(pooled)
    o = Concatenate(axis=3)(pool_outs)
    o = Conv2D(512, (1, 1), use_bias=False)(o)
    o = BatchNormalization()(o)
    o = Activation('relu')(o)

    o = Conv2D(nClasses, (3, 3), padding='same')(o)
    o = resize_image(o, (8, 8))
    o_shape = Model(inputs, o).output_shape
    outputHeight = o_shape[1]
    outputWidth = o_shape[2]

    o = Reshape((nClasses, input_height * input_width))(o)
    o = Permute((2, 1))(o)
    model = Model(inputs, o)
    model.outputWidth = outputWidth
    model.outputHeight = outputHeight

    return model

PSPNet《Pyramid Scene Parsing Network》论文阅读及代码实现