实例分割总结 Instance Segmentation Summary

实例分割：机器自动从图像中用目标检测方法框出不同实例，再用语义分割方法在不同实例区域内进行逐像素标记

借一个浅显的说法：语义分割不区分属于相同类别的不同实例。例如，当图像中有多只猫时，语义分割会将两只猫整体的所有像素预测为“猫”这个类别。与此不同的是，实例分割需要区分出哪些像素属于第一只猫、哪些像素属于第二只猫

基本思路目标检测+语义分割。

SDS->HyperColumns->CFM->Deep&Sharp Mask->MNC->ISFCN->FCIS->SIS->Mask RCNN->PAN

SDS：

MCG+AlexNet+SVM+NMS

改进：

MCG代替SS提取region，用bottom-up分割出的结果，然后把region以及由它组合成boundingboxes来同时优化two-path 的网络

特征提取中不是在两条通道上使用同一网络，而是单独训练这两条路径

1、建议生成：通过MCG算法为每个图像生成2k个候选区域

2、特征提取：联合训练两个网络，从区域bbox和区域前景提取特征

3、区域分类：基于CNN最后的特征训练SVM去分每个类别

4、区域改良：对许多重复覆盖的区域进行非最大压制（NMS）

提取特征网络结构:

HyperColumns：

基于SDS基础，在分类器中引入超列的概念，实现对ROI的修正

针对SDS的第三步改进：基于CNN最后的特征训练SVM去分类->基于高、低层特征融合形成Hypercolumns训练SVM

Hypercolumns结构：

把低层特征和高层特征结合一起，用于分类，改善对细节的探测

CFM：

Convolutional Feature Masking

动机：SPP两个作用：1）通过矩形框生成特征图的掩码Mask 2）把任意大小的区域生成一个固定大小的特征

引入CFM代替矩形框，用不规则区域生成掩码Mask，提取特征

图像掩码 Mask：用选定的图像、图形或物体，对处理的图像（全部或局部）进行遮挡，来控制图像处理的区域或处理过程。

通过卷积特征提取掩码而不是原始图像中提取

CFM引入网络的两种方案：

在最后卷积特征引入CFM or 在SPP中引进CFM

Deep Mask & Sharp Mask & Multipath Net:

这里看到一篇比较好的总结，转载一下 Facebook的物体分割新框架研究

MNC:

改进：

用3个任务形成一个级联结构，并共享底层卷积特征

1、回归边框级实例(Regressing Box-level Instances):采用RPN来预测无分类的bounding box位置和评分

2、回归掩码级实例(Regressing Mask-level Instances): 用第一阶段的卷积特征还有bbox作为输入，通过ROIpooling提取特征，加上两个FC层，一是降维，二是回归像素级掩码，得到输出是每一个候选box的像素级语义掩码（DeepMark类似，但因共享特征而节约开销）

3、实例分类(Categorizing instances):共享特征、阶段一bbox、阶段二Mask作输入，最后输出每一个实例的分类得分

这个网络当中，每个阶段都会激活损失函数，但后阶段的损失函数依赖前阶段的输出

ISFCN：

改进：

针对局部的像素进行改善。FCN中，训练一个classifier来预测一个像素属于某个物体类的得分，它是平移不变而且无法区分单个物体实例的。比如，同样的一个像素，既可以是物体1的前景也可以是相邻物体2的背景，两个物体属于同一类，那么FCN产生的每个类只有一个score，是没有办法区分这两种情况的。所以，提出了positive-sensitive score map，每个score表示一个像素在某个相对位置上属于某个物体实例的得分（R-FCN的position sensitive score map思路用到instance上）

1、CNN特征提取，（用vgg16改造）减少网络步长和增加特征图的分辨率，提取效果更好的特征图

2、顶层特征作为两个全卷积分支的输入，一个用于预估部分实例，生成了instance-sensitive score maps（下图上分支的蓝色框）；另一个对对象评分，每个像素通过逻辑回归对以该像素为中心的滑动窗口的实例/非实例进行分类，生成对象评分图

instance-sensitive score maps 和 positive-sensitive score map差不多（可以看看目标检测总结中R-FCN的说明）

FCIS：

改进：

继续采用Instance-sensitive score maps，加了区分在物体实例内还是外的inside/outside score maps，引入一点context信息；操作是在box proposal上进行，代替了在滑动窗口操作

1、CNN特征提取，在第4卷积层加上RPN生成300个ROI，另Bbox分支再生成300个ROI，空洞算法处理第5卷积层，然后在第5卷积层生成position-sensitive in/out score map

【位置敏感分数图参数化（Position-sensitive Score Map Parameterization）：使用单独的下游网络将候选mask进一步分辨对象类别】

2、通过组装操作（assembling）前面得到的ROI生成像素级的得分图，主要目的是1）检测：检测ROI的每一像素是否属于目标Bbox相关的位置上（检测到对象与否）; 2）分割：ROI的每一像素是否在对象实例的边界内【联合掩码预测和分类（Joint Mask Prediction and Classification）】

3、端到端处理（End to End Solution）：softmax操作生成前景可能性，最大化操作生成每一像素的对象分类，最后用平均池化推断分类得分

SIS:

采用端到端全卷积进行实例感知语义分割，把底层卷积结果和scoremap完全共享于预测和分类的子任务，通过一个无额外参数的新联合方程实现

1、CNN特征提取，用ResNet模型，第4卷积层加上RPN，空洞算法处理第5卷积层，通过融合多尺度及多分区模式生成生成position-sensitive in/out score map（如图二），并第5卷积层添加新的语义分割子网络生成C+1 score map（C+1种分类可能）

2、贝叶斯推断，提高了分割和分类的准确性

3、softmax操作生成前景可能性，最大化操作生成每一像素的对象分类，最后用平均池化推断分类得分

Mask R-CNN:

改进：

用FPN进行目标检测，并通过添加额外分支进行语义分割(额外分割分支和原检测分支不共享参数)，即MaskR-CNN有三个输出分支(分类、坐标回归、和分割)

(1).改进了RoIpooling，通过双线性差值使候选区域和卷积特征的对齐不因量化而损失信息。

(2).在分割时，MaskR-CNN将判断类别和输出模板(mask)这两个任务解耦合，用sigmoid配合对率(logistic)损失函数对每个类别的模板单独处理，比经典分割方法用softmax让所有类别一起竞争效果更好

1、整张图片送入CNN，进行特征提取

2、在最后一层卷积featuremap上，通过RPN生成ROI，每张图片大约300个建议窗口

3、通过RoIAlign层使得每个建议窗口生成固定大小的feature map（ROIAlign是生成mask预测的关键）

4、得到三个输出向量，第一个是softmax分类，第二个是每一类的bounding box回归，第三个是每一个ROI的二进制掩码Mask（FCN生成）

Mask Representation：

mask 编码了输入的 object 的空间布局(spatial layout)

针对每个 RoI，采用 FCN 预测一个 m×m 的 mask.

mask 分支的每一网络层均可保持 m×m 的 object 空间布局，而不用压扁拉伸成向量形式来表示，导致空间信息损失.

pixel-to-pixel 操作需要保证 RoI 特征图的对齐性，以保留 per-pixel 空间映射关系（映射到ROI原图）. 即 RoIAlign.

ROIAlign：

原来RoIPooling是映射原图RoI 到特征图 RoI，其间基于 stride 间隔来取整，导致将特征图RoI映射回原图RoI时，出现 stride 造成的误差(max pool 后特征图的 RoI 与原RoI 间的空间不对齐更加明显). 会影响像素级的 mask 分割. 因此需要像素级的对齐ROIAlign

RoIPool 用于从每个 RoI 中提取小的特征图的操作，RoIPool 选择的特征图区域，会与原图中的区域有轻微出入，分析ROIpool的步骤：把浮点数ROI量化到离散粒度的特征图，细分为空间直方图的bins，最后每个bin所涵盖的特征值被聚合（常用max pooling聚合）

也就是说，对浮点数 RoI 量化，再提取分块的直方图，最后利用 max pooling 组合，导致 RoI 和提取的特征间的 misalignments。对于平移不变性的分类任务影响不大，但对于要求精确的像素级 masks 预测具有较大的负影响.

RoIAlign 能够去除 RoIPool 引入的 misalignments，准确地对齐输入的提取特征. 即：避免 RoI 边界或 bins 进行量化(如，采用 x/16x/16 来替代 rounding(x/16)rounding(x/16)[四舍五入处理] )；采用 bilinear interpolation 根据每个 RoI bin 的四个采样点来计算输入特征的精确值，并采用 max 或 average 来组合结果.

如，假设点 (x,y)(x,y)，取其周围最近的四个采样点，在 Y 方向进行两次插值，再在 X 方向进行两次插值，以得到新的插值. 这种处理方式不会影响 RoI 的空间布局.

假设有一个 128x128 的图像，25x25 的特征图，想要找出与原始图像左上角 15x15 位置对应的特征区域，怎么在特征图上选取像素？

原始图像的每一个像素与特征图上的 25/128 个像素对应. 为了在原始图像选取 15 个像素，在特征图上我们需要选择 15 * 25/128 ~= 2.93 个像素.

对于这种情形，RoIPool 会舍去零头选择两个像素，导致排列问题. 但在 RoIAlign，这种去掉小数点之后数字的方式被避免，而是使用双线性插值（bilinear interpolation）准确获得 2.93 像素位置的信息，避免了排列错误.

网络结构

Backbone 卷积网络 —— 用于整张图片的特征提取，ResNeXt-101，ResNet-50，FPN(Feature Pyramid Network).

Backbone1：Faster R-CNN 基于 ResNets，是从第 4 stage 的最后一个卷积层提取特征，这里记为 C4，即 ResNet-50-C4，ResNeXt-101-C4.（常用的）
Backbone2：ResNet-FPN（性能 better，对基础网络的改进，另一个改进方向）

Head 网络 —— 用于对每个 RoI 分别进行 bounding-box 识别(分类和回归) 和 Mask 预测.

参考：论文阅读学习 - Mask R-CNN

PAN:

1、整张图片送入FPN，进行特征提取

2、自下到上的通道增强将低层的信息融入高层，生成新的特征图

3、经过适应特征池化层

4、输入两个分支，得到三个输出向量，一是softmax分类&Bbox回归，二是每一个ROI的掩码Mask（FC融合）

Bottom-up 路径增强：

为了加强低层信息变得更容易传播，细节利用上

Adapting 特征池：

允许每个候选区从访问各级信息进行预测。

FPN中，从P2-P6(P6仅用作生成proposal，不用作RoIPooling时提取特征)多尺度地生成proposal，然后做RoIPooling时会根据proposal的大小将它分配到不同的level去crop特征，小的proposal去low-level的层，大的proposal去high-level的层。

这样做虽然简单也蛮有效，但它不是最好的处理方式，尽管P2-P5(N2-N5)已经融合了low-level和high-level的特征，然后它们的主要特征还是以它本有的level为主 重要的特征与所在的层无关，如果小的proposal能从high-level层获取到更多的上下文语义信息和较大识别域是有利于它分类的，而大的proposal能从low-leve层获取到更好的细节是有利定位准确性的

因此，打算每个proposal从所有level的特征上做RoIPooling，然后在后面融合，融合的阶段和方式都可实验，比如分类时是两个fc，这个融合阶段可以是fuse,fc1, fc2或者fc1, fuse, fc2，融合策略可是sum也可以是max，最后证明fc1, fuse,fc2和max最好。这个改进是增加些运算负担。

FC融合：

MaskRCNN中Mask分支就是个简版的fcn，fcn是全卷积网络，它根据一个局部的视野域来预测，且参数是全图共享，而全连接fc是全图视野域对位置更敏感，看得更大，这一点large kernel也间接证明了大视野域的作用。因此，这里打算多加一条用全连接层预测的支路来做mask预测，然后和fcn融合，具体做法如下图所示，至于conv4_fc接在fcn支路哪一个卷积后后面融合，，实验对比，conv3后面结果更好一点。

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