图像语义分割经典论文推荐

图像的语义分割（Semantic Segmentation）是计算机视觉中非常重要的任务。它的目标是为图像中的每个像素分类。如果能够快速准去地做图像分割，很多问题将会迎刃而解。因此，它的应用领域就包括但不限于：自动驾驶、图像美化、三维重建等等。

语义分割是一个非常困难的问题，尤其是在深度学习之前。深度学习使得图像分割的准确率提高了很多，下面我们就总结一下近年来最具有代表性的方法和论文。

Fully Convolutional Networks (FCN)

我们介绍的第一篇论文是Fully Convolutional Networks for Semantic Segmentation，简称FCN。这篇论文是第一篇成功使用深度学习做图像语义分割的论文。论文的主要贡献有两点：

提出了全卷积网络。将全连接网络替换成了卷积网络，使得网络可以接受任意大小的图片，并输出和原图一样大小的分割图。只有这样，才能为每个像素做分类。

使用了反卷积层（Deconvolution）。分类神经网络的特征图一般只有原图的几分之一大小。想要映射回原图大小必须对特征图进行上采样，这就是反卷积层的作用。虽然名字叫反卷积层，但其实它并不是卷积的逆操作，更合适的名字叫做转置卷积（Transposed Convolution），作用是从小的特征图卷出大的特征图。

这是神经网络做语义分割的开山之作，需彻底理解。

DeepLab

DeepLab有v1 v2 v3，第一篇名字叫做DeepLab: Semantic Image Segmentation with Deep Convolutional Nets, Atrous Convolution, and Fully Connected CRFs。这一系列论文引入了以下几点比较重要的方法：

第一个是带洞卷积，英文名叫做Dilated Convolution，或者Atrous Convolution。带洞卷积实际上就是普通的卷积核中间插入了几个洞，如下图。

它的运算量跟普通卷积保持一样，好处是它的“视野更大了”，比如普通3x3卷积的结果的视野是3x3，插入一个洞之后的视野是5x5。视野变大的作用是，在特征图缩小到同样倍数的情况下可以掌握更多图像的全局信息，这在语义分割中很重要。

Pyramid Scene Parsing Network

Pyramid Scene Parsing Network的核心贡献是Global Pyramid Pooling，翻译成中文叫做全局金字塔池化。它将特征图缩放到几个不同的尺寸，使得特征具有更好地全局和多尺度信息，这一点在准确率提升上上非常有用。

其实不光是语义分割，金字塔多尺度特征对于各类视觉问题都是挺有用的。

Mask R-CNN

Mask R-CNN是大神何凯明的力作，将Object Detection与Semantic Segmentation合在了一起做。它的贡献主要是以下几点。

第一，神经网络有了多个分支输出。Mask R-CNN使用类似Faster R-CNN的框架，Faster R-CNN的输出是物体的bounding box和类别，而Mask R-CNN则多了一个分支，用来预测物体的语义分割图。也就是说神经网络同时学习两项任务，可以互相促进。

第二，在语义分割中使用Binary Mask。原来的语义分割预测类别需要使用0 1 2 3 4等数字代表各个类别。在Mask R-CNN中，检测分支会预测类别。这时候分割只需要用0 1预测这个物体的形状面具就行了。

第三，Mask R-CNN提出了RoiAlign用来替换Faster R-CNN中的RoiPooling。RoiPooling的思想是将输入图像中任意一块区域对应到神经网络特征图中的对应区域。RoiPooling使用了化整的近似来寻找对应区域，导致对应关系与实际情况有偏移。这个偏移在分类任务中可以容忍，但对于精细度更高的分割则影响较大。

为了解决这个问题，RoiAlign不再使用化整操作，而是使用线性插值来寻找更精准的对应区域。效果就是可以得到更好地对应。实验也证明了效果不错。下面展示了与之前方法的对比，下面的图是Mask R-CNN，可以看出精细了很多。

以上是比较经典的几篇论文，它们提出的方法是经过检验的。