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论文《FarSee-Net: Real-Time Semantic Segmentation by Efficient Multi-scale Context Aggregation and Feature Space Super-resolution》原理解析及代码复现。
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概要

提示： （1）论文地址：https://arxiv.org/abs/2003.03913 （2）本人打包好数据可运行代码：FarSeeNet.zip 链接: https://pan.baidu.com/s/1febtaxNsKVVURu03IIacYA?pwd=1pve 提取码: 1pve
FarSee-Net包括前端、后端两个部分，前端采用ResNet基础的骨干网络确保了鲁棒的特征提取；而后端网络的FASPP模块则通过有效结合高低层特征进行精准分割。网络围绕两个关键思想构建：
1、高效的多尺度上下文聚合：模型整合了多层次的上下文信息，提高了分割精度，尤其是在物体大小差异较大的复杂场景中。
2、特征空间超分辨率：通过使用超分辨率技术，FarSee-Net增强了特征表示，使得在不显著增加计算开销的情况下，能够实现更高像素级别的精度。

理论知识

整体架构流程

class FarSeeNet(nn.Module):def __init__(self, num_class=1, n_channel=3, backbone_type='resnet18', act_type='relu'):super().__init__()if 'resnet' in backbone_type:self.frontend_network = ResNet(backbone_type)high_channels = 512 if backbone_type in ['resnet18', 'resnet34'] else 2048low_channels = 256 if backbone_type in ['resnet18', 'resnet34'] else 1024else:raise NotImplementedError()self.backend_network = FASPP(high_channels, low_channels, num_class, act_type)def forward(self, x):size = x.size()[2:]_, _, x_low, x_high = self.frontend_network(x)x = self.backend_network(x_high, x_low)x = F.interpolate(x, size, mode='bilinear', align_corners=True)return x

FarSeeNet 由两部分组成：

• frontend_network（主干网络）：基于ResNet的特征提取。
• backend_network（解码头）：基于FASPP模块通过有效结合高低层特征进行精准分割。

前端网络（frontend_network）：基于ResNet的特征提取

self.frontend_network = ResNet(backbone_type)
high_channels = 512 if backbone_type in ['resnet18', 'resnet34'] else 2048
low_channels = 256 if backbone_type in ['resnet18', 'resnet34'] else 1024

FarSee-Net的前端网络采用了ResNet架构。ResNet是一种著名的深度卷积网络，通过残差连接克服了梯度消失问题。前端网络输出低层和高层特征（分别为x_low和x_high），并将其传递给后端网络进一步处理。

• 高层特征（深层）：resnet18和resnet34为512个通道，较深的ResNet变体为2048个通道。
• 低层特征（浅层）：resnet18和resnet34为256个通道，较深的变体为1024个通道。

后端网络（backend_network）：FASPP（基于空间金字塔池化的特征聚合）

代码逻辑（简化示意）

class FASPP(nn.Module):def __init__(self, high_channels, low_channels, num_class, act_type, dilations=[6,12,18], hid_channels=256):super().__init__()# 高层特征处理self.conv_high = nn.ModuleList([ConvBNAct(high_channels, hid_channels, 1, act_type)])for dt in dilations:self.conv_high.append(nn.Sequential(ConvBNAct(high_channels, hid_channels, 1, act_type),DWConvBNAct(hid_channels, hid_channels, 3, dilation=dt, act_type)))self.sub_pixel_high = nn.Sequential(conv1x1(hid_channels*4, hid_channels*2*(2**2)), nn.PixelShuffle(2))# 低层特征处理self.conv_low_init = ConvBNAct(low_channels, 48, 1, act_type)self.conv_low = nn.ModuleList([ConvBNAct(hid_channels*2+48, hid_channels//2, 1, act_type)])for dt in dilations[:-1]:self.conv_low.append(nn.Sequential(ConvBNAct(hid_channels*2+48, hid_channels//2, 1, act_type),DWConvBNAct(hid_channels//2, hid_channels//2, 3, dilation=dt, act_type)))self.conv_low_last = nn.Sequential(ConvBNAct(hid_channels//2*3, hid_channels*2, 1, act_type),ConvBNAct(hid_channels*2, hid_channels*2, act_type))self.sub_pixel_low = nn.Sequential(conv1x1(hid_channels*2, num_class*(4**2)), nn.PixelShuffle(4))def forward(self, x_high, x_low):# 处理高层特征high_feats = [conv_high(x_high) for conv_high in self.conv_high]x = torch.cat(high_feats, dim=1)x = self.sub_pixel_high(x)# 处理低层特征x_low = self.conv_low_init(x_low)x = torch.cat([x, x_low], dim=1)low_feats = [conv_low(x) for conv_low in self.conv_low]x = torch.cat(low_feats, dim=1)x = self.conv_low_last(x)x = self.sub_pixel_low(x)return x

1、高层特征处理（High-level Features）：

• self.conv_high：首先，使用一个 1x1 卷积层提取高层特征。然后，对于每个膨胀率 dilations 中的值，使用一个 1x1 卷积和一个带有不同膨胀率的深度可分离卷积（DWConv）来提取不同尺度的高层特征。
• self.sub_pixel_high：将所有提取的高层特征合并，并通过一个 1x1 卷积和 PixelShuffle 层进行上采样，提升图像分辨率。

2、低层特征处理（Low-level Features）：

• self.conv_low_init：对低层输入特征图应用一个 1x1 卷积，初始化低层特征。
• self.conv_low：随后，低层特征与高层特征拼接，并使用多个 1x1 卷积和深度可分离卷积来进一步处理低层特征。
• self.conv_low_last：经过多个卷积处理后，最终的低层特征通过一个 1x1 卷积和卷积层进一步调整维度。
• self.sub_pixel_low：类似于高层特征的处理，将低层特征通过一个 1x1 卷积和 PixelShuffle 层进行上采样。

3、前向传播：

• 高层特征处理：通过 self.conv_high 进行一系列卷积操作，并将结果合并，最终通过 self.sub_pixel_high 层进行上采样。
• 低层特征处理：低层输入通过 self.conv_low_init 进行初始化，然后与高层特征拼接，经过多层卷积处理后，最终通过 self.sub_pixel_low 层进行上采样，生成最终输出。

模型实践

训练数据准备

提示：云盘代码已内置少量山体滑坡数据集

训练数据分为原始影像和标签(二值化，0和255)，均位于Sample文件夹内，数据相对路径为：

Sample\landslide\train\ IMG_T1
------------------\ IMG_LABEL
-------------\val \ IMG_T1
------------------\IMG_LABEL

本示例中影像尺寸不一，在dp0_train.py文件parser参数项，crop_height 、crop_width设置为256、256，训练数据在CDDataset_Seg定义中进行了resize，模型训练中均为256*256。

模型训练

运行dp0_train.py，模型开始训练，核心参数包括：

parser参数	说明
num_epochs	训练批次
learning_rate	初始学习率
batch_size	单次样本数量
dataset	数据集名字
crop_height	训练时影像重采样尺度

数据结构CDDataset_Seg定义在utils文件夹dataset.py中，注意读取后进行了数据增强（随机翻转），灰度化，尺寸调整，标签归一化、 one-hot 编码，以及维度和数据类型的转换，最终得到适用于 PyTorch 模型训练的张量。

        # 读取训练图片和标签图片image_t1 = cv2.imread(image_t1_path,-1)#image_t2 = cv2.imread(image_t2_path)label = cv2.imread(label_path)# 随机进行数据增强，为2时不做处理if self.data_augment:flipCode = random.choice([-1, 0, 1, 2])if flipCode != 2:
#                image_t1 = normalized(image_t1, 'tif')image_t1 = self.augment(image_t1, flipCode)#image_t2 = self.augment(image_t2, flipCode)label = self.augment(label, flipCode)        label = cv2.cvtColor(label, cv2.COLOR_BGR2GRAY)image_t1 = cv2.resize(image_t1, (self.img_h, self.img_w))#image_t2 = cv2.resize(image_t2, (Config.img_h, Config.img_w))label = cv2.resize(label, (self.img_h, self.img_w))label = label/255label = label.astype('uint8')label = onehot(label, 2)label = label.transpose(2, 0, 1)label = torch.FloatTensor(label)

训练过程如下图所示，模型保存至checkpoints数据集同名文件夹内。

影像测试

运行dp0_AllPre.py，核心参数包括：

parser参数	说明
Checkpointspath	预训练模型位置名称
Dataset	批量化预测数据文件夹
Outputpath	输出数据文件夹

数据加载方式：

    pre_dataset = CDDataset_Pre(data_path=pre_imgpath1,transform=transforms.Compose([transforms.ToTensor()]))pre_dataloader = torch.utils.data.DataLoader(dataset=pre_dataset,batch_size=1,shuffle=False,pin_memory=True,num_workers=0)

需要注意，预测定义的数据结构CDDataset_Pre与训练时CDDataset_Seg有区别，此处将其resize回原始尺寸，后续使用自己的数据训练时注意调整。

结果示例