CVPR2021 | SETR: 使用 Transformer 从序列到序列的角度重新思考语义分割
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前言 本文介绍了一篇CVPR2021的语义分割论文，论文将语义分割视为序列到序列的预测任务，基于transformer作为编码器，介绍了三种解码器方式，选择其中效果最好的解码器方式与transformer编码器组成了一个新的SOTA模型--SETR。
论文：Rethinking Semantic Segmentation from a Sequence-to-Sequence Perspective with Transformers
代码：https://fudan-zvg.github.io/SETR
创新思路
现有的语义分割模型基本都基于FCN，FCN是由编码器和解码器组成的架构。编码器用于特征表示学习，而解码器用于对编码器产生的特征表示进行像素级分类。在这两者中，特征表示学习（即编码器）可以说是最重要的模型组件。与大多数其他为图像理解而设计的 CNN 一样，编码器由堆叠的卷积层组成。由于对计算成本的关注，特征图的分辨率逐渐降低，因此编码器能够学习更多抽象/语义视觉概念，感受野逐渐增加。
然而，编码器有一个基本限制，即学习远程依赖信息对于无约束场景图像中的语义分割至关重要，由于仍然有限的感受野而变得具有挑战性。
为了克服上述限制，最近引入了许多方法。一种方法是直接操纵卷积操作。这包括大内核大小、多孔卷积和图像/特征金字塔。另一种方法是将注意力模块集成到 FCN 架构中。这样的模块旨在对特征图中所有像素的全局交互进行建模。当应用于语义分割时，一个常见的设计是将注意力模块与 FCN 架构相结合，注意力层位于顶部。无论采用哪种方法，标准编码器解码器 FCN 模型架构都保持不变。最近，已经尝试完全摆脱卷积并部署注意力模型。
最近，一些SOTA方法表明将 FCN 与注意力机制相结合是学习远程上下文信息的更有效策略。这些方法将注意力学习限制在更小的输入尺寸的更高层，因为它的复杂度是特征张量的像素数的平方。这意味着缺乏对较低级别特征张量的依赖学习，导致次优表示学习。
为了克服这个限制，论文旨在重新思考语义分割模型设计并贡献一个替代方案，用纯transformer代替基于堆叠卷积层的编码器，逐渐降低空间分辨率，从而产生一种新的分割模型，称为 SEgmentation TRansformer (SETR)。这种单独的transformer编码器将输入图像视为由学习的补丁嵌入表示的图像补丁序列，并使用全局自注意力模型转换该序列以进行判别特征表示学习。
Methods
Segmentation transformers (SETR)
首先将图像分解为固定大小的补丁网格，形成补丁序列。将线性嵌入层应用于每个补丁的扁平像素向量，然后获得一系列特征嵌入向量作为transformer的输入。给定从编码器transformer学习的特征，然后使用解码器来恢复原始图像分辨率。至关重要的是，编码器transformer的每一层都没有空间分辨率的下采样，而是全局上下文建模，从而为语义分割问题提供了一个全新的视角。
Image to sequence
此处没什么创新，将图像分成16块，每块通过flatten操作变成向量，向量的长度为HW/16，分块的目的是为了缩小向量的长度，否则计算量太大。为了学习到像素之间的空间信息，将对每个像素进行位置编码，再与向量相加。
transformer encoder
此处没什么创新，与原始transformer一样，由multi-head self-attention (MSA) 和 Multilayer Perceptron(MLP) 块组成。MSA与MLP是transformer的基本部分，此处对于MSA与MLP的介绍略过。重点介绍下面论文的创新部分。
Decoder designer
为了评估编码器部分的特征表示，论文设计了三种解码器方式。在此之前需要将编码器的输出Z从向量reshape成H/16 x W/16 x C的形状。
1. 原始上采样 (Naive unsampling)
解码器将编码器输出的特征映射到类别空间，做法是采用了一个简单的 2 层网络将通道数变为类别数量。其架构为：1 × 1 conv + 同步BatchNorm（w/ ReLU）+ 1 × 1 conv。之后，简单地将输出双线性上采样到完整的图像分辨率，然后是具有像素级交叉熵损失的分类层。当使用这个解码器时，这种模型表示为 SETR-Naive。
2. Progressive UPsampling (PUP)
论文考虑一种渐进式上采样策略，而不是可能会引入嘈杂预测的一步上采样策略，该策略交替使用 conv 层和上采样操作。为了最大限度地减轻对抗效应，我们将上采样限制为 2 倍。因此，总共需要 4 次操作才能从 H/ 16 × W /16 转换到图像原分辨率。这个过程的更多细节在图 1(b) 中给出。使用此解码器时，将模型表示为 SETR-PUP。
3. Multi-Level feature Aggregation (MLA)
第三种设计的特点是多级特征聚合（图 c）与特征金字塔网络类似。然而，我们的解码器根本不同，因为每个 SETR 层的特征表示 Zl共享相同的分辨率，没有金字塔形状。
具体来说，我们将来自 M 层的特征表示 {Zm} (m ∈ { Le /M , 2 Le/ M , · · · , M Le /M }) 作为输入，这些特征表示从 M 层均匀分布在具有步骤长为 Le /M 。然后部署 M 个流，每个流都专注于一个特定的选定层。
在每个流中，我们首先将编码器的特征 Zl 从 HW /256 × C 的 2D 形状reshape为 3D 特征图 H/ 16 × W/ 16 × C。一个 3 层（kernel大小为 1 × 1、3 × 3 和 3 × 3) 网络，第一层和第三层的特征通道分别减半，第三层后通过双线性操作将空间分辨率提升4倍。
为了增强不同流之间的交互，我们在第一层之后通过逐元素添加引入了自上而下的聚合设计。在逐元素添加功能之后应用额外的 3 × 3 conv。在第三层之后，我们通过通道级连接从所有流中获得融合特征，然后将其双线性上采样 4 倍至全分辨率。使用此解码器时，将模型表示为 SETR-MLA。
Conclusion
三种解码器方式之间的结果对比，结果表明SETR-PUP方式最好。
与其它SOTA模型的对比。SETR 在 ADE20K (50.28% mIoU)、Pascal Context (55.83% mIoU) 和 Cityscapes 上的竞争结果上取得了最新SOTA结果。特别是，在提交当天就在竞争激烈的ADE20K测试服务器排行榜中获得了第一名。
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