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关于「Xception」和「DeepLab V3+」的那些事

2018 年 3 月 26 日 PaperWeekly 崔权

作者丨崔权

学校丨早稻田大学硕士生

研究方向丨深度学习，计算机视觉

知乎专栏丨サイ桑的炼丹炉

前言

最近读了 Xception [1] 和 DeepLab V3+ [2] 的论文，觉得有必要总结一下这个网络里用到的思想，学习的过程不能只是一个学习网络结构这么简单的过程，网络设计背后的思想其实是最重要的但是也是最容易被忽略的一点。

Xception (Extreme Inception)

卷积层的学习方式

在一层卷积中我们尝试训练的是一个 3-D 的 kernel，kernel 有两个 spatial dimension，H 和 W，一个 channel dimension，也就是 C。

这样一来，一个 kernel 就需要同时学习 spatial correlations 和 cross-channel correlations，我把这里理解为，spatial correlations 学习的是某个特征在空间中的分布，cross-channel correlations 学习的是这些不同特征的组合方式。

Inception的理念

首先通过一系列的 1x1 卷积来学习 cross-channel correlations，同时将输入的维度降下来；再通过常规的 3x3 和 5x5 卷积来学习 spatial correlations。这样一来，两个卷积模块分工明确。Inception V3 中的 module 如下图。

Inception的假设

corss-channels correlations 和 spatial correlations 是分开学习的，而不是在某一个操作中共同学习的。

Inception到Xception的转变

首先考虑一个简版的 Inception module，拿掉所有的 pooling，并且只用一层 3x3 的卷积来提取 spatial correlations，如 Figure2。

▲ 简版Inception

可以将这些 1x1 的卷积用一个较大的 1x1 卷积来替代（也就是在 channel 上进行 triple），再在这个较大卷积产生的 feature map 上分出三个不重叠的部分，进行 separable convolution，如 Figure3。

这样一来就自然而然地引出：为什么不是分出多个不重叠的部分，而是分出三个部分来进行 separable convolution 呢？如果加强一下 Inception 的假设，假设 cross-channel correlations 和 spatial correlations 是完全无关的呢？

沿着上面的思路，一种极端的情况就是，在每个 channel 上进行 separable convolution，假设 1x1 卷积输出的 feature map 的 channel 有 128 个，那么极端版本的 Inception 就是在每个 channel 上进行 3x3 的卷积，而不是学习一个 3x3x128 的 kernel，取而代之的是学习 128 个 3x3 的kernel。

将 spatial correlations 的学习细化到每一个 channel，完全假设 spatial correlations 的学习与 cross-channel correlations 的学习无关，如 Figure4 所示。

Xception Architecture

一种 Xception module 的线性堆叠，并且使用了 residual connection，数据依次流过 Entry flow，Middle flow 和 Exit flow。

顺便写一点读 Xception 时的小发现，Xception 的实验有一部分是关于应不应该在 1x1 卷积后面只用激活层的讨论，实验结果是：如果在 1x1 卷积后不加以激活直接进行 depthwise separable convolution，无论是在收敛速度还是效果上都优于在 1x1 卷积后加以 ReLU 之类激活函数的做法。

这可能是因为，在对很浅的 feature（比如这里的 1-channel feature）进行激活会导致一定的信息损失，而对很深的 feature，比如 Inception module 提取出来的特征，进行激活是有益于特征的学习的，个人理解是这一部分特征中有大量冗余信息。

DeepLab V3+

论文里，作者直言不讳该框架参考了 spatial pyramid pooling (SPP) module 和 encoder-decoder 两种形式的分割框架。前一种就是 PSPNet 那一款，后一种更像是 SegNet 的做法。

ASPP 方法的优点是该种结构可以提取比较 dense 的特征，因为参考了不同尺度的 feature，并且 atrous convolution 的使用加强了提取 dense 特征的能力。但是在该种方法中由于 pooling 和有 stride 的 conv 的存在，使得分割目标的边界信息丢失严重。

Encoder-Decoder 方法的 decoder 中就可以起到修复尖锐物体边界的作用。

关于Encoder中卷积的改进

DeepLab V3+ 效仿了 Xception 中使用的 depthwise separable convolution，在 DeepLab V3 的结构中使用了 atrous depthwise separable convolution，降低了计算量的同时保持了相同（或更好）的效果。

Decoder的设计

Encoder 提取出的特征首先被 x4 上采样，称之为 F1；

Encoder 中提取出来的与 F1 同尺度的特征 F2' 先进行 1x1 卷积，降低通道数得到 F2，再进行 F1 和 F2 的 concatenation，得到 F3；

为什么要进行通道降维？因为在 encoder 中这些尺度的特征通常通道数有 256 或者 512 个，而 encoder 最后提取出来的特征通道数没有这么多，如果不进行降维就进行 concate 的话，无形之中加大了 F2' 的权重，加大了网络的训练难度。

对 F3 进行常规的 3x3 convolution 微调特征，最后直接 x4 upsample 得到分割结果。

还有值得关注的一点是，论文提出了 Xception 的改良版，可以用来做分割：

与 Xception 不同的几点是：

层数变深了
所有的最大池化都被替换成了 3x3 with stride 2 的 separable convolution
在每个 3x3 depthwise separable convolution 的后面加了 BN 和 ReLU

作者也把 Xception 当作了 Encoder，没有使用 DeepLab V3 中的 multi-grid 方法，得到的效果是所有模型中最好的。

在 PASCAL VOC 2012 验证集上的表现：

在 PASCAL VOC 2012 测试集上的表现：

一点总结

纵观语义分割的模型发展，从最初的 Encoder-Decoder 框架，到后来的 DeepLab、PSPNet 框架，到去年的 RefineNet 框架，每个框架都有其独到之处，但是 DeepLab V3+ 综合了 DeepLab、PSPNet 和 Encoder-Decoder，得到的效果是最好的，是思想的集大成者，或许在 RefineNet 类的框架和其他的框架之间也有可以探寻的结构。

关于「Xception」和「DeepLab V3+」的那些事

前言

Xception (Extreme Inception)

DeepLab V3+

一点总结

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