《ENet》论文阅读及实现
- 2019 年 12 月 9 日
- 筆記
前言
昨天介绍了目标检测算法之YOLOv2，但还留下一个比较大的坑没填，就是YOLOv2的损失函数解析，今天没来得及做这个工作，来解析一篇高速度的针对嵌入式端的语义分割算法吧，即ENet。
ENet原文地址
https://arxiv.org/pdf/1606.02147.pdf
ENet的优势
ENet实现了在嵌入式端的实时语义分割，并且精度稍微好于SegNet，先看一下论文给出的速度测试图。
对于分辨率为640 360的图片，ENet执行前向推理的速度也可以达到14.6fps，接近实时，我用keras提炼了ENet的网络结构，并实现了训练和预测图片，并实现了训练和预测图片，最后在我的电脑Core-i7CPU上的推理速度为0.55s一张图像，代码见本文最后的链接。
ENet的网络结构
ENet网络结构如下，网络结构参考ResNet，将其结构描述为一个主分支与一个带有卷积核的附加分支，最后进行像素级的相加融合。
ENet中的每个block如Fig2.b所示，每个block包含有三个卷积层:一个1×1的映射用于减少维度，一个主卷积层，一个1×1的扩张。将BN层与PReLU层穿插其中，将此结构组合定义为bottleneck 模型。如果bottleneck为下采样，则在主分支上添加一个最大池化层，同时，bollteneck中第一个1×1的映射被一个大小为2×2,stride为2的卷积进行替换，对激活值进行padding操作，使其与feature map的尺寸相匹配。卷积大小为3×3的，类型有普通卷积，空洞卷积，及转置卷积等，有时，用1×5或者5×1的非对称卷积对其替换。对于正则化处理，在bottleneck2.0之前使用p=0.01,其他条件下使p=0.1。ENet的初始部分包含单独的一个block。如上图a.第一阶段包含5个bottleneck部分。第二，三阶段结构相同，但第三阶段的开始处并未有下采样的过程。前三个阶段属于编码阶段。第四五阶段属于解码阶段。由于cuDNN使用分离的内核进行卷积与偏差项的计算，为了减少内核的调用与内存的占用，该网络并未使用偏差项，结果发现，准确率也并未受很大的影响。在每个卷积层与pReLU层之间添加了一层BN层。在解码网络部分，最大池化层，被最大上采样层代替，padding被无偏差项的空间卷积替换。ENet在最后一个上采样过程中并未使用最大池化的索引，因为输入图片的通道为3，而输出通道数为类别数，最终，用一个全卷积模型作为网络的最后模型，占用部分解码网络的处理时间。
ENet使用的几大Trick
Trick1：减少下采样和上采样过程的分割精度丢失
解决下采样中边缘信息丢失问题的主流方法有2种，一是FCN中的添加编码层的feature map，二是Segnet中通过保留编码网络中最大池化过程中最大值的索引，并借此在解码网络中生成稀疏的上采样feature map。ENet采用了SegNet中的方式来降低下采样和上采样过程的分割精度丢失。
Trick2：非对称的Encoder-Decoder结构，降低参数量
ENet网络结构是非对称的，包含一个较大的编码层和一个小的解码网络。原因是编码层应该像原始分类网络的结构相似。用于处理较小的数据，同时进行信息的处理与滤波，解码网络对编码网络的输出进行上采样用于对细节的微调。
Trick3：激活函数使用PReLU，而非ReLU
作者实验发现去掉网络初始层中的大部分ReLU层会提升分割的效果，原因是此网络的深度不够深。然后，该文将所有ReLU替换为PReLUs，针对每张feature map增加了一个额外的参数。得到了精度的提升。
Trick4：分解卷积核
Inception Net 的套路，0 一个二维的卷积可以被分解为两个维度为1的卷积核。论文使用5×1,1×5的非对称卷积，减弱了函数学习的过拟合同时增加了感受野。卷积核的分解带来的另一个好处是可以减少大量的参数。同时加上更多的非线性处理，使计算功能更加丰富。
Trick 5：使用空洞卷积
论文将bottleneck中的卷积层替换为空洞卷积并进行串联，增大了感受野，提高了分割的IOU。
Trick 6：正则化
由于分割数据集有限，因此网络的训练很容易达到过拟合。该文使用空间Dropout进行处理。
Trick 7：信息保留的维度变化
前半部分进行下采样是有必要的，但剧烈的维度衰减不利于信息的流动。为解决这个问题，该文任务在池化层后接一个卷积层增加了维度，进而增加了计算资源。为此，该文将池化操作与卷积操作进行并行操作，然后进行拼接。同时，在原始的ResNet的结构中，进行下采样时，第一个1×1的映射，在所有维度上进行的是步长为2的卷积，丢弃了75%左右的输入信息。将卷积核增加至2×2利于信息的保留。
代码
https://github.com/BBuf/ENet-Keras
参考
https://www.cnblogs.com/fourmi/p/10009691.html
