BiSeNetv2：语义分割经典方法BiSeNet的升级版本

news2024/11/18 7:24:00

分享IJCV2021上发表的一篇文章BiSeNetv2，这是BiSeNet的升级版本。开源代码地址：https://github.com/open-mmlab/mmsegmentation/tree/master/configs/bisenetv2

1.动机

语义分割是指为每个像素分配一个标签，它广泛用于场景理解、自动驾驶、人机交互、视频监控等领域中。近年来，随着卷积神经网络的发展，研究者们提出了一系列基于全卷积网络的语义分割算法，它们都达到了很好的性能。

全卷积网络的高性能往往来自于比较好的backbone，在语义分割任务中，有2种常用的backbone：

（1）使用了空洞卷积模块的backbone，在backbone中移除了部分下采样操作，使用空洞卷积增加感受野，同时保持feature map的尺寸以保留丰富的空间信息，如下图所示：

图1

（2）使用了Encoder-Decoder的backbone，在decoder模块中，使用skip connections的方式恢复空间信息，如下图所示：

图2

这2类backbone在设计时，没有充分考虑推理时间和计算资源的优化：

（1）空洞卷积的引入、下采样操作的移除，都会引入比较大的计算复杂度和显存消耗；

（2）encoder和decoder中的skip connections会增加显存消耗。

面对实时语义分割的需求，基于上面2种类型的backbone，一般采用以下方法降低模型对硬件资源的消耗：

减小输入图片分辨率
使用更少的通道

尽管这些方法能够有效地提高模型推理速度，但是牺牲了低层次特征，降低了网络的表达能力，导致模型性能下降。因此，设计一个兼顾性能和推理速度的语义分割算法是很重要的。

在语义分割任务中，空间细节信息和高级语义信息都是很重要的，如果不考虑推理速度，可以用一个深的、feature map尺寸大的网络去提取特征；而为了平衡精度和推理速度，作者提出了two-pathway的网络架构Bilateral Segmentation Network（BiSeNet V2）。在该结构中，一个分支提取空间细节信息，另一个分支提取高级语义信息。

2.BiSeNetv2

2.1 总体结构

BiSeNetv2的大体结构如下图所示：

图3

网络主要包含3部分

Detail分支 特点是网络层数较少，feature map尺寸大，用于提取空间细节信息。
Semantic分支 特点是比较深，feature map尺寸小，感受野大，用于提取高级语义信息。
特征融合模块 用于融合Detail分支和Semantic分支的特征。

2.2 Detail分支

Detail分支负责提取低级空间细节信息，该分支有如下特点：

网络通道数要足够多；
feature map的尺寸要稍大一些；
网络层数比较浅；
由于feature map尺寸大、通道数多，最好不要在网络结构中使用残差连接，避免增加显存占用、降低推理速度。

Detail分支的网络结构如下图所示，该分支共3个stage，每个卷积操作后面都有BN和激活函数。每个stage中第1个卷积层的步长都是2，其余卷积层的步长是1。因此Detail分支的输出feature map尺寸是原图的1/8。该分支的网络结构设计遵循VGG的设计准则，同时避免使用残差链接。

图4

2.3 Semantic分支

Semantic分支用于提取高级语义信息，该分支有如下特点：

不需要很大的通道数，这里令Semantic分支的通道数是Detail分支的$\lambda(\lambda< 1)$倍；
有很多下采样操作，以增加感受野；
包含全局平均池化操作，以提取全局上下文特征。

Semantic分支的网络结构如图4所示，包含如下3部分：

（1）Stem Block

结构如下图所示：

图5

Stem Block在2个分支中使用了2种不同的下采样操作，2个分支的输出通过concat操作进行融合。

（2）Gather-and-Expansion Layer（GE）

Gather-and-Expansion Layer在设计时借鉴了MobileNetv2中的inverted bottleneck结构，inverted bottleneck结构如图6(a)所示，虚线表示当该模块的步长为2时，残差连接不存在；当该模块的步长为1时，残差连接存在。

步长为1时，Gather-and-Expansion Layer的结构如图6(b)所示：

使用 $\times 3$ 卷积进行升维；
在高维度使用 $\times 3$ 的depthwise卷积进行特征提取；
使用 $\times 1$ 卷积进行降维。

当步长为2时，Gather-and-Expansion Layer的结构如图6©所示：

使用2个 $\times 3$ 的depthwise卷积进一步增加感受野；
在shortcut中使用1个 $\times 3$ 的depthwise卷积。

图6

（3）Context Embedding Block（CE）

结构如下图所示：

图7

该模块使用全局平均池化和残差连接提取全局上下文特征。

2.4 特征融合模块

特征融合模块用于融合Detail分支和Semantic分支提取到的特征。由于Semantic分支中包含较多的下采样操作，该分支的输出feature map尺寸较小，因此要对Semantic分支输出的feature map进行上采样操作，使其与Detail分支输出的feature map尺寸一致。通过元素相加或者concat的方式融合2个分支的特征是不合适的，因为这忽略了2个分支输出特征的差异性。

作者提出了Bilateral Guided Layer用于融合2个分支的特征，结构如下图所示：

图8

上图中的 $\otimes$ 表示元素乘法操作。该结构能够使得2个分支互相通信、互为引导。

综上，BiSeNetv2的总体结构如下图所示，紫色框内是2个分支，红色框内是融合结构，Down表示下采样操作，Up表示上采样操作， $\varphi$ 表示Sigmoid函数， $\otimes$ 表示元素乘法。

图9

3.辅助训练分支

为了进一步提高模型精度，训练时，在Semantic分支的不同位置增加了若干个辅助Segmentation Head，如图9橙色框内所示，这些结构仅用于训练，在推理时会删掉它们。

辅助Segmentation Head的结构如下图所示：

图10

在上图中，使用 $C_i$ 控制卷积的通道数， $S$ 表示上采样倍数， $N$ 表示最终输出的feature map的通道数。

4.实验

4.1 训练

超参数 在训练时，使用kaiming normal方式进行权重初始化，使用SGD优化器，batch size=16，momentum=0.9，初始学习率为 $5 e^{-2}$ ，学习率变化策略为初始学习率乘以 $\left(1-\frac{i t e r}{\text { iter } s_{\max }}\right)^{\text {power }}$ ，其中 ${\text {power }}=0.9$ 。对于Cityscapes和CamVid数据集，weight_decay=0.0005，对于COCO-Stuff数据集，weight_decay=0.0001。对于Cityscapes和CamVid、COCO-Stuff这3个数据集，训练的迭代次数分别为150K、10K、20K。