语义分割模型 SegNeXt方法概述

  语义分割是对图像中的每个像素进行识别的一种算法，可以对图像进行像素级别的理解。作为计算机视觉中的基础任务之一，其不仅仅在学术界广受关注，也在无人驾驶、工业检测、辅助诊断等领域有着广泛的应用。

近期，计图团队与南开大学程明明教授团队、非十科技刘政宁博士等合作，提出了一种全新的语义分割模型 SegNeXt，该方法大幅提高了当前语义分割方法的性能，并在Pascal VOC 分割排行榜上名列第一。该论文已被 NeurIPS 2022 接收。

Part 1

语义分割模型SegNeXt

研究背景 自2015年FCN[2] 被提出以来，语义分割开始逐渐走向深度学习算法，其常用架构为编码-解码器结构(Encoder-Decoder)。在 vision transformer 被提出之前，人们通常采用卷积神经网络(如 ResNet、VGGNet、GoogleNet 等) 作为其编码器部分；最近，由于vision transformer 在视觉领域的成功，语义分割编码器部分开始逐渐被换成基于vision transformer的模型(如 ViT、SegFormer、HRFormer等)。但是，基于 vision transformer编码器的方法真的比基于卷积神经网络的方法更好么？为了回答这个问题，Jittor团队重新思考了语义分割任务对神经网络的要求，并针对语义分割的任务专门设计了一个基于卷积神经网络的编码器MSCAN 和一个语义分割模型 SegNeXt。

图1. SegNeXt 和其他语义分割方法的性能对比，其中红色为SegNeXt

方法概述

论文首先分析了语义分割任务本身以及之前的相关工作，总结出四点语义分割任务所需的关键因素。1）强大的骨干网络作为编码器。与之前基于 CNN 的模型相比，基于Transformer 的模型的性能提升主要来自更强大的骨干网络。2）多尺度信息交互。与主要识别单个对象的图像分类任务不同，语义分割是一项密集的预测任务，因此需要在单个图像中处理不同大小的对象，这就使得针对语义分割任务的网络需要多尺度信息的交互。3）注意力机制：注意力可以使得模型关注到重点的部分，并且可以使得网络获得自适应性。4）低计算复杂度：这对于常常处理高分辨率图像的语义分割任务来说至关重要。

表 1 不同方法所具有的的属性对比

为了满足上述四点要求，作者设计了一种简单的多尺度卷积注意力机制 （MSCA）。如图 2 所示，MSCA 主要是采用大卷积核分解、多分支并行架构以及类似VAN[3]的注意力机制。这使得 MSCA 可以获得大感受野、多尺度信息以及自适应性等有益属性。基于 MSCA，该论文搭建了一种层次化神经网络 MSCAN 作为SegNeXt 的编码器部分。除此之外，作者采用了 UNet 架构，并选择了HamNet[4] 作为 SegNeXt 的解码器部分。分析和实验证明，MSCAN和 Ham 优势互补，两者相互配合，使得 SegNeXt 实现了优异的性能。

图 2：多尺度卷积注意力（MSCA） 示意图 实验结果 本文在五个常见分割数据集上 ADE20K, Cityscapes,COCO-Stuff, Pascal VOC, Pascal Context 和一个遥感分割数据集 iSAID做了测评，SegNeXt均超过了之前的方法。限于篇幅，我们仅展示部分结果。

表2：在 ADE20K、Cityscapes, COCO-Stuff 上的实验结果

表 3 SegNeXt 在遥感数据集上的实验结果

Part 2 计图语义分割算法库JSeg Jittor团队基于自主深度学习框架Jittor[5]，并借鉴MMSegmentation语义分割算法库的特点，开发了语义分割算法库JSeg。MMSegmentation是广泛使用的功能强大的语义分割算法库，新推出的JSeg可以直接加载MMSegmentation的模型，同时借助Jittor深度学习平台的优势，使其更高效、稳定运行，可以实现训练和推理快速的从PyTorch向Jittor迁移。 目前JSeg已经支持4个模型、4个数据集，其中模型包括在Pascal VOC test dataset斩获第一的SegNeXt模型，数据集包括经典的ADE20K Dataset、CityScapes Dataset以及遥感分割中的iSAID Dataset等，后续JSeg也将支持更多的模型和数据集！ 性能提升 我们使用SegNeX-Tiny模型，与Pytorch实现的版本在NVIDIA TITAN RTX上进行了对比，可以显著缩短模型训练所需要的时间。

表1 JSeg和mmseg（PyTorch）的训练时间对比

易用性提升

由于Jittor动态编译的特性及code算子对python内联C++及CUDA的支持，JSeg在不同环境下无需对任何算子进行手动编译，即可轻松运行不同模型，免去了用户对不同模型分别配置环境的负担，同时方便用户对不同方法进行更公平的比较。此外，JSeg的设计易于拓展，用户可以基于JSeg已有的模型和功能方便地开展进一步的研究和开发。

实践案例

下面，我们将简要介绍如何使用JSeg训练一个基础模型。

首先，下载数据集到原始数据集目录。

通过tools/convert_datasets下的数据处理脚本对原始数据进行预处理，得到处理后的数据集。然后即可对模型进行单卡或者多卡训练、评估和测试，同时提供了推理接口，用户可以使用10行代码完成一张图片的语义分割，尽可能地降低了用户的使用成本。　

      审核编辑：彭静