基于Transformer对透明物体进行分割-技术圈

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小白导读

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摘要

本研究提出了一个新的细粒度透明对象分割数据集，称为Trans10Kv2，扩展了Trans10K-v1，第一个大规模透明对象分割数据集。不像Trans10K-v1只有两个有限的类别，作者的新数据集有几个吸引人的好处。(1)它有11个细粒度的透明对象类别，通常发生在人类的家庭环境中，使它更适合于现实世界的应用。(2) Trans10K-v2对现有的高级分割方法带来了比以前版本更多的挑战。此外，提出了一种新的基于变压器的分割管道Trans2Seg。首先，Trans2Seg的变压器编码器相对于CNN的局部接受场提供了全局接受场，这显示了相对于纯CNN架构的优异优势。其次，作者将语义分割制定为一个字典查找问题，设计了一组可学习的原型作为Trans2Seg s变压器解码器的查询，每个原型学习整个数据集中一个类别的统计信息。作者对20多种最新的语义分割方法进行了评测，结果表明Trans2Seg算法的性能明显优于所有基于cnn的方法，表明了本文提出的算法在解决透明对象分割问题上的潜在能力。

开源代码：https://github.com/xieenze/Trans2Seg

本文贡献

作者提出了最大的玻璃分割数据集(Trans10K-v2)，包含11种不同场景和高分辨率的细粒度玻璃图像类别。所有的图片都用精细的遮罩和面向功能的分类精心标注。
提出了一种基于变压器的透明物体分割网络，该网络采用变压器编解码结构。该方法提供了一个全局的接受域，在掩模预测中具有更强的动态性，具有很好的优越性。
作者在Trans10K-v2上评估了20多种语义分割方法，作者的Trans2Seg显著优于这些方法。此外，作者还表明，这一任务在很大程度上尚未解决。因此需要更多的研究。

框架结构

作者的CNN-Transformer混合架构。首先，将输入图像输入到CNN，提取特征F。其次，对于变压器编码器，将特征和位置嵌入平滑后馈给Transformer进行自我注意，并从变压器编码器输出特征(Fe)。第三，针对Transforme解码器，作者专门定义了一组可学习类原型嵌入(Ecls)作为查询，Fe作为键，并利用Ecls和Fe计算注意图。每个类的原型嵌入对应一个最终预测的类别。作者还添加了一个小的conv头来融合来自CNN骨干的注意力地图和Res2特征。变压器解码器和小锥头详见图4。最后，通过对注意图进行像素级argmax，得到预测结果。例如，在这个图中，两个类别(瓶子和眼镜)的分割掩模对应着两个相同颜色的类原型。

Transformer解码器详细图。输入:可学习的类别原型作为查询，从Transformer编码器的特性作为键和值。输入被馈送到变压器解码器，它由几个解码器层组成。最后一个解码器层的注意图和CNN骨干网的Res2特征相结合，并馈给一个小的conv头，得到最终的预测结果。为了更好的理解，作者还提供了小锥头的伪代码。输入:可学习的类别原型作为查询，从变压器编码器的特性作为键和值。输入被馈送到Transformer解码器，它由几个解码器层组成。最后一个解码器层的注意图和CNN骨干网的Res2特征相结合，并馈给一个小的conv头，得到最终的预测结果。

实验结果

Trans2Seg与其他基于CNN的语义分割方法的视觉比较。输入:可学习的类别原型作为查询，从变压器编码器的特性作为键和值。输入被馈送到Transformer解码器，它由几个解码器层组成。最后一个解码器层的注意图和CNN骨干网的Res2特征相结合，并馈给一个小的conv头，得到最终的预测结果。为了更好的理解，作者还提供了小锥头的伪代码。Trans2Seg的整体感受场和注意机制，特别是在dash区域，明显优于其他组。放大以获得最佳视野。更多可视化结果请参考补充材料。

结论

在本文中，作者提出了一个新的细粒度透明对象分割数据集，包含11个常见类别，称为Trans10K-v2，其中数据是基于之前的Trans10K。输入:可学习的类别原型作为查询，从Transformer编码器的特性作为键和值。输入被馈送到Transformer解码器，它由几个解码器层组成。最后一个解码器层的注意图和CNN骨干网的Res2特征相结合，并馈给一个小的conv头，得到最终的预测结果。为了更好的理解，作者还提供了小锥头的伪代码。作者也讨论了提出的数据集的挑战性和实用性。此外，作者提出了一种基于变压器的管道，称为Trans2Seg，以解决这一具有挑战性的任务。在Trans2Seg中，Transformer编码器提供了全局接收域，这是透明对象分割的必要条件。在transformer解码器中，作者将分割建模为使用一组可学习查询的字典查找，其中每个查询代表一个类别。最后，作者评估了超过20种主流的语义分割方法，并表明作者的Trans2Seg明显优于这些基于CNN的分割方法。

在未来，作者有兴趣探索作者的Transformer编码器-解码器设计的一般分割任务，如城市景观和PASCAL VOC。作者也会投入更多的精力来解决透明对象的分割任务。

论文链接：https://arxiv.org/pdf/2101.08461.pdf

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