導(dǎo)讀：邊緣和輪廓的提取是一個(gè)非常棘手的工作，細(xì)節(jié)也許就會(huì)被過強(qiáng)的圖像線條掩蓋，紋理（texture）本身就是一種很弱的邊緣分布模式，分級(jí)（hierarchical）表示是常用的方法，俗稱尺度空間（scale space）。以前做移動(dòng)端的視覺平臺(tái)，有時(shí)候不得不把一些圖像處理功能關(guān)掉，原因是造成了特征畸變。現(xiàn)在 CNN 模型這種天然的特征描述機(jī)制，給圖像預(yù)處理提供了不錯(cuò)的工具，它能將圖像處理和視覺預(yù)處理合二為一。

邊緣提取

1. HED

整體嵌套邊緣檢測(cè)（Holistically-Nested Edge Detection，HED 是一個(gè)深度學(xué)習(xí)的邊緣提取的算法，兩個(gè)特色：（1）整體圖像訓(xùn)練和預(yù)測(cè); （2）多尺度、多層特征學(xué)習(xí)。該深度模型利用全卷積網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)學(xué)習(xí)豐富的分層表示（基于側(cè)面響應(yīng)的深層監(jiān)督指導(dǎo)）。

多尺度深度學(xué)習(xí)可分為四類，即多流學(xué)習(xí)（multi-stream）、跳網(wǎng)（skip-net learning）學(xué)習(xí)、多輸入單模型以及獨(dú)立網(wǎng)訓(xùn)練，如圖所示：（a）多流架構(gòu); （b）跳網(wǎng)架構(gòu); （c）多尺度輸入的單一模型; （d）不同網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立訓(xùn)練; （e）HED，其中添加多個(gè)側(cè)面輸出。

在表示和計(jì)算復(fù)雜性方面，（a）-（d）方法存在冗余。（e）HED 是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的變體，能夠從多個(gè)尺度產(chǎn)生預(yù)測(cè)。該結(jié)構(gòu)可以被解釋為（d）“獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)”法的“整體嵌套”版，包括多個(gè)側(cè)輸出的單流深度網(wǎng)絡(luò)。隱藏層監(jiān)督可以改善圖像分類任務(wù)的優(yōu)化和泛化。如果需要統(tǒng)一輸出，多側(cè)向輸出可以靈活地添加額外的融合層。

如圖是 HED 的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖，在卷積層之后插入側(cè)輸出層，在每個(gè)側(cè)輸出層施加深度監(jiān)督，引導(dǎo)側(cè)輸出成為邊緣預(yù)測(cè)。HED 輸出是多尺度多層，側(cè)輸出面變小，感受野變大。一個(gè)加權(quán)融合層自動(dòng)學(xué)習(xí)如何組合來自多個(gè)尺度的輸出。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通過多個(gè)誤差傳播路徑（虛線）訓(xùn)練。

下圖給出HED的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（a）測(cè)試圖像；（b）手工標(biāo)注的邊緣；（c）HED 結(jié)果。（d）、（e）和（f）卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層2、3和4的側(cè)邊響應(yīng)。（g）、（h）和（i）Canny 邊緣檢測(cè)器在尺度 σ= 2.0、σ= 4.0 和 σ= 8.0 的邊緣響應(yīng)。HED 與 Canny 在一致性方面顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)。

2. CASENet

CASENet 將每個(gè)邊緣像素與多于一個(gè)的邊緣類相關(guān)聯(lián)，是一種基于 ResNet 的端到端深度語義邊緣學(xué)習(xí)的架構(gòu)，同時(shí)也是一種跳層（skip-layer）架構(gòu)，其中頂層卷積層的類別邊緣激活共享并與底層特征的同一集融合，這里一種多標(biāo)簽損失函數(shù)來監(jiān)督激活的融合。

三種 CNN 架構(gòu)的比較如圖（a）-（c）所示。圖中實(shí)心矩形表示 CNN 層的組合塊。寬度減小表示輸出特征圖的空間分辨率下降2倍。箭頭旁邊的數(shù)字表示輸出特征的通道數(shù)。藍(lán)色實(shí)心矩形是一堆 ResNet 塊。紫色實(shí)心矩形是分類模塊。紅色虛線框表示輸出由損失函數(shù)監(jiān)控。灰色實(shí)心矩形是側(cè)面特征提取模塊。深綠色實(shí)心矩形是融合分類模塊，執(zhí)行 K 個(gè)分組1×1卷積。圖（d）-（h）是圖（a）-（c）中模塊細(xì)節(jié)，其中矩形是輸入和輸出特征圖。

圖（a）是基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，采用全卷積網(wǎng)絡(luò)框架，在 ResNet-101 刪除平均池化和全連接層并保留底部卷積塊；將 ResNet-101 中第一個(gè)和第五個(gè)卷積塊（“res1”和“res5”）的步幅從2改為1；將擴(kuò)張因子（dilation factors）引入后續(xù)的卷積層以保持原始 ResNet 相同的感受野；在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的頂部，添加分類模塊（圖（d））作為1×1卷積層，然后是雙線性上采樣（由 K 分組反卷積層實(shí)現(xiàn)）產(chǎn)生一個(gè) K 個(gè)激活圖 { A1，···，AK } 的集合，其中每個(gè)激活圖都與圖像尺寸相同；然后，Yk（p）=σ（Ak（p））定義的 sigmoid 單元對(duì)像素屬于第 k 類邊緣的概率建模。

前面 HED 網(wǎng)絡(luò)的基本思路是除了頂部網(wǎng)絡(luò)損失以外還考慮底層卷積損失。另外，通過監(jiān)督側(cè)面激活的線性組合來獲得融合邊緣圖。不過，HED 僅執(zhí)行二進(jìn)制邊緣檢測(cè)。深度監(jiān)督網(wǎng)絡(luò)（DSN）擴(kuò)展了這種架構(gòu)，處理側(cè)輸出的K通道和最終輸出的 K 通道，如圖（b）所示。在該網(wǎng)絡(luò)中，將上述分類模塊連接到每個(gè)殘差塊的輸出，產(chǎn)生5個(gè)側(cè)分類激活圖 { A（1）, ... , A（5）}，其中每個(gè)激活圖都有K通道。然后，通過切片連接層（sliced concatenation layer）融合這5個(gè)激活圖（圖中顏色表示圖（g）的通道索引）產(chǎn)生 5K 通道激活圖：

Af 饋入融合分類層，該分類層執(zhí)行 K-組 1×1卷積（圖（f））產(chǎn)生 K-通道激活圖A（6）。最后，在激活圖 {A（1），...，A（6）}計(jì)算6個(gè)損失函數(shù)，為該網(wǎng)絡(luò)提供深入監(jiān)督。

由于監(jiān)督5個(gè)側(cè)面激活，隱含地約束了那些側(cè)面激活的每個(gè)通道只帶有該類別最相關(guān)的信息。由于切片級(jí)聯(lián)和分組卷積，像素 p 的融合激活由下式給出：

CASENet 采用嵌套式架構(gòu)（nested architecture），改進(jìn)點(diǎn)如下：

① 將底部分類模塊更換為特征提取模塊。

② 放置分類模塊，僅在網(wǎng)絡(luò)頂部施加監(jiān)督。

③ 采用共享串聯(lián)（圖（h））而不是切片連接。

側(cè)面特征提取和側(cè)面分類之間的區(qū)別在于前者僅輸出單個(gè)通道特征圖 F（j）而不是 K 類激活。共享級(jí)聯(lián)從 Side-1-3 復(fù)制底部特征 F = {F（1），F(xiàn)（2），F(xiàn)（3）}，分別與 K 個(gè)頂部激活的每一個(gè)相連接：

到的連接激活圖再被饋送到有 K-分組卷積的融合分類層，產(chǎn)生 K-通道激活圖 A（6）。

通常 CASENet 被認(rèn)為是聯(lián)合邊緣檢測(cè)和分類的網(wǎng)絡(luò)，它讓較低級(jí)的特征參與并通過跳層結(jié)構(gòu)增強(qiáng)高級(jí)的語義分類。

下圖是 CASENet 和 DSN 的結(jié)果比較，從左到右：輸入，基礎(chǔ)事實(shí)，DSN 和 CASENet。CASENet 在具有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)上顯示出更好的檢測(cè)質(zhì)量，而 DSN 在非邊緣像素有更多的誤報(bào)。

輪廓提取

1. DeepEdge

以前大多使用紋理或顯著性等低級(jí)特征來檢測(cè)輪廓，而 DeepEdge 利用目標(biāo)相關(guān)特征作為輪廓的高級(jí)線索檢測(cè)。設(shè)計(jì)的是多級(jí)深度網(wǎng)絡(luò)，由五個(gè)卷積層和一個(gè)分叉全連接子網(wǎng)絡(luò)（bifurcated fully-connected subnetwork）組成。從輸入層到第五個(gè)卷積層是預(yù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，直接用于圖像輸入的四個(gè)不同尺度。將這四個(gè)平行且相同的數(shù)據(jù)流連接到兩個(gè)獨(dú)立訓(xùn)練的分支組成的分叉子網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)分支學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)輪廓似然（以分類為目標(biāo)），而另一個(gè)分支訓(xùn)練學(xué)習(xí)在給定點(diǎn)輪廓的存在（基于回歸測(cè)度），如圖是 DeepEdge 架構(gòu)圖，其中 Canny 邊緣檢測(cè)器提取候選輪廓點(diǎn)，然后在每個(gè)候選點(diǎn)周圍，提取四個(gè)不同尺度的補(bǔ)丁，同時(shí)通過預(yù)訓(xùn)練的 KNet 五個(gè)卷積層。

一個(gè)解釋模型架構(gòu)的單尺度示意圖，在下圖給出：首先，輸入以候選點(diǎn)為中心的補(bǔ)丁，經(jīng)過 KNet 五個(gè)卷積層；為了提取高級(jí)特征，在每個(gè)卷積層提取圍繞中心點(diǎn)的特征圖的小子容積，并在子容積上執(zhí)行最大、平均和中心池化。池化值饋入分叉子網(wǎng)絡(luò)。測(cè)試時(shí)，從分叉子網(wǎng)絡(luò)的分支計(jì)算的標(biāo)量輸出做平均，生成最終輪廓預(yù)測(cè)。

如圖給出部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果：左到右依次為輸入圖像、Canny 邊緣檢測(cè)器產(chǎn)生的候選點(diǎn)集合、非閾值預(yù)測(cè)、閾值預(yù)測(cè)和基礎(chǔ)事實(shí)圖。為了生成閾值預(yù)測(cè)，概率閾值設(shè)為0.5。

2. CEDN

另外一種方法利用全卷積編碼器-解碼器網(wǎng)絡(luò)（CEDN），端到端訓(xùn)練的數(shù)據(jù)來自 PASCAL VOC 中修正的不準(zhǔn)確的多邊形標(biāo)注，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖所示。

部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖：從左到右依此是（a）輸入圖像，（b）GT 輪廓，（c）具有預(yù)訓(xùn)練 CEDN 的輪廓檢測(cè)，和（d）具有細(xì)調(diào) CEDN 的輪廓檢測(cè)。

編輯：黃飛

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