Segmentation과 Dilated Convolution

Segmentation

classification이 사진에서 어떠한 물체가 '존재하는지' 를 판단하는 것이라면 Segmentation은 이미지에서 픽셀단위로 해당 픽셀이 어떤 Class에 속하는지를 예측하는 태스크로 볼 수 있다.

Input

Output

예를 들어, 위 그림을 보자. 오토바이를 타고 있는 사람이 보인다. 이 데이터를 Input으로 주면 아래와 같은 Output을 주는 것이 Segmentation의 태스크이다. 이를 트레이닝하기 위해서는 픽셀레벨로 해당 픽셀이 어디에 속하는지 label을 달은 데이터가 필요하다. 이는 사람이 직접 label을 하는 경우가많다. 위 pascal challenge에서도 사람이 직접 label한 데이터를 제공하였다.

Object Segmentation과 Class Segmentation

pascal voc2011 challenge에서는 segmentation을 object segmentation과 class segmentation으로 나누었다. object segmentation은 이미지에서 '어떤 물체가 있다는 사실' 을 픽셀단위로 예측하는 것이고, class segmentation은 어떤 물체가 '어떤 클래스에 속하는 지'까지 예측하는 것이다. 예를 들어 아래 그림을 보면, object segmentation에서는 어떤 object별로 모두 다른 색깔로 표현하고 있지만, class segmentation에서는 object들 중에서 같은 class인 경우 같은 색깔로, 표시하고 있다. (예를 들어 같은 '화분' 이라는 class를 갖고 있는 object는 같은 색깔로 표시하였다.) 

Dilated Convolution

Dilated Convolution은 필터 내부에 zero padding을 추가해 강제로 receptive field를 늘리는 방법이다. 위 그림은 파란색이 인풋, 초록색이 아웃풋인데, 진한 파랑 부분에만 weight가 있고 나머지 부분은 0으로 채워진다. receptive field란 필터가 한 번의 보는 영영으로 볼 수 있는데, 결국 필터를 통해 어떤 사진의 전체적인 특징을 잡아내기 위해서는 receptive field는 높으면 높을 수록 좋다. 그렇다고 필터의 크기를 크게하면 연산의 양이 크게 늘어나고, 오버피팅의 우려가있다. 그래서 일반적인 CNN에서는 이를 conv-pooling의 결합으로 해결한다. pooling을 통해 dimension을 줄이고 다시 작은 크기의 filter로 conv를 하면, 전체적인 특징을 잡아낼 수 있다. 하지만 pooling을 수행하면 기존 정보의 손실이 일어난다. 이를 해결하기 위한것이 Dilated Convolution으로 Pooling을 수행하지 않고도 receptive field의 크기를 크게 가져갈 수 있기 때문에 spatial dimension의 손실이 적고, 대부분의 weight가 0이기 때문에 연산의 효율도 좋다. 공간적 특징을 유지하는 특성 때문에 Dilated Convolution은 특히 Segmentation에 많이 사용된다.

이 그림을 통해 pooling-conv후 upsampling을 하는 것과 dilated convolution(astrous convolution)을 하는 것의 차이를 볼 수 있다. 위 그림에서 볼 수 있듯 공간적 정보의 손실이 있는 것을 upsampling 하면 해상도가 떨어진다. 하지만 dilated convolution의 그림을 보면 receptive field를 크게 가져가면서 convolution을 하면 정보의 손실을 최대화하면서 해상도는 큰 output을 얻을 수 있다.

Dilated Convolution을 어떻게 Segmentation에 활용할까?

출처-http://blog.naver.com/sogangori/220952339643

첫번째 그림은 classification을 위한 CNN VGG-16의 아키텍쳐이다. conv-pooling을 반복적으로 수행한 후, 마지막으로 Fully Connected Layer에 통과하여 최종 classification 결과를 얻는 과정을 보여주고있다. 그 아래의 그림은 Dilated Convolution을 통하여 이미지를 segmentation하는 예를 보여주고 있다. 이 아키텍쳐의 아웃풋의 사이즈는 28x28xN 이며, (N은 segmentation 원하는 클래스의 수) 이를 다시 upsampling하여 원래의 크기로 복원한다. (이부분에서 공간적 정보의 손실이 있다.)

이 아키텍쳐와 classification 아키텍쳐의 다른점은 우선 다이아몬드 모양으로 표시한 dilated convolution으 통해 공간적 정보의 손실을 최소화하였다. 그리고 dilated convolution 2번을 적용한 뒤 나온 28x28x4096 에 대하여 1x1 convolution으로 channel의 dimension reduction을 수행한다. 최종적으로 28x28xN이 나오고 이를 8x upsampling하여 최종적인 segmention 결과를 output으로 내놓는다. 이 때 1x1 convolution 은 공간적인 정보를 잃지 않기 위해 사용되며, classifiction의 Fully Connected Layer(FC)와 비슷한 역할을 한다. 하지만 classification에서는 공간적인 정보는 중요하지 않기 때문에 Flatten하여 사용하는 것이다.