孫劉杰，樊景星

非對(duì)稱關(guān)鍵點(diǎn)注意力結(jié)構(gòu)的交互式圖像分割方法

孫劉杰，樊景星

（上海理工大學(xué)，上海 200125）

人機(jī)交互信息在交互式圖像分割過(guò)程中具有重要意義，為了提高交互信息的使用效率，文中提出一種優(yōu)化方法。提出一種非對(duì)稱注意力結(jié)構(gòu)，將交互信息通過(guò)該結(jié)構(gòu)融合到交互式圖像分割算法（IOG）的特征提取網(wǎng)絡(luò)中。該算法能夠進(jìn)一步強(qiáng)化關(guān)鍵點(diǎn)信息對(duì)圖像分割所起到的引導(dǎo)作用。非對(duì)稱注意力結(jié)構(gòu)能夠在不增加交互成本的條件下，在PASCAL數(shù)據(jù)集上達(dá)到92.2%的準(zhǔn)確率，比目前最好的IOG分割算法提高了0.2%。僅在小樣本PASCAL數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練時(shí)，文中算法具有更明顯的優(yōu)勢(shì)，比現(xiàn)有最好的IOG算法的準(zhǔn)確率提高了1.3%。通過(guò)中文的非對(duì)稱注意力結(jié)構(gòu)，能夠在不增加交互成本的同時(shí)提升網(wǎng)絡(luò)的分割精度。

圖像分割；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；關(guān)鍵點(diǎn)信息；人機(jī)交互

在涉及圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)的項(xiàng)目中，圖像分割往往是必不可少的一項(xiàng)技術(shù)。近年來(lái)，圖像分割項(xiàng)目的熱度始終維持在一個(gè)較高的水平。圖像分割作為計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域中眾多基礎(chǔ)性任務(wù)之一，體現(xiàn)出了較高的實(shí)用價(jià)值。

深度學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一經(jīng)提出就被認(rèn)為高度契合圖像處理的需求。從最初廣為人知的Alexnet[1]到后來(lái)的Mask–RCNN[2]，這些深度學(xué)習(xí)的方法能夠通過(guò)卷積來(lái)提取圖像特征，并且通過(guò)參數(shù)訓(xùn)練來(lái)對(duì)這些特征進(jìn)行判斷，從而精確預(yù)測(cè)出圖像的類別或是實(shí)現(xiàn)圖像的像素級(jí)別的實(shí)例分割操作。

實(shí)現(xiàn)圖像語(yǔ)義分割的深度學(xué)習(xí)算法往往依賴著大量?jī)?yōu)質(zhì)的像素級(jí)數(shù)據(jù)集。創(chuàng)建一個(gè)像素級(jí)的大型訓(xùn)練數(shù)據(jù)集來(lái)訓(xùn)練這些模型的過(guò)程，通常在消耗大量人力物力的同時(shí)，有著極長(zhǎng)的構(gòu)建周期，因此，建立一個(gè)交互式的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)輔助進(jìn)行像素級(jí)數(shù)據(jù)集的創(chuàng)建是必不可少的。交互式的圖像分割模型，具體說(shuō)來(lái)就是通過(guò)獲取一些用戶提供的輸入，如人工標(biāo)注的邊框或者點(diǎn)擊，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠快速提取感興趣的目標(biāo)對(duì)象，是一種能有效減少人工注釋數(shù)據(jù)集難度和像素級(jí)數(shù)據(jù)集構(gòu)建周期的方法。

近期，在交互式圖像分割領(lǐng)域中出現(xiàn)了眾多優(yōu)秀的算法。通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)的閱讀分類和比較，發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀的交互式分割網(wǎng)絡(luò)，都基于交互過(guò)程中人工標(biāo)注的關(guān)鍵點(diǎn)信息進(jìn)行圖像的分割。關(guān)鍵點(diǎn)信息之所以優(yōu)秀，是因?yàn)樗哂幸韵聨讉€(gè)特征：易于選取、容錯(cuò)率高、交互成本低、包含的圖像信息豐富。

基于關(guān)鍵點(diǎn)信息的交互式算法，根據(jù)交互方式可以分為2種類別。

1）人工標(biāo)注邊緣關(guān)鍵點(diǎn)的分割算法。典型算法有Graph cut[3]算法和DEXTR[4]算法，都基于人工標(biāo)注的圖像邊緣信息來(lái)將圖像的邊緣進(jìn)行處理和分割。其中DEXTR算法于2017年提出，使用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)學(xué)習(xí)人工標(biāo)注的分割目標(biāo)上下左右的4個(gè)極值點(diǎn)信息。盡管此算法效果優(yōu)秀，可以在4次點(diǎn)擊后達(dá)到90%以上的交并比（IoU）[5]，但是在對(duì)細(xì)長(zhǎng)物體和重疊物體處理的過(guò)程中往往誤差較大，同時(shí)極值點(diǎn)標(biāo)注的難度會(huì)帶來(lái)人工成本的增加。

2）人工標(biāo)注中心關(guān)鍵點(diǎn)的分割算法。典型算法有FCANET[6]算法和IOG[7]算法，都基于人工標(biāo)注的圖像中心點(diǎn)信息來(lái)分割圖像。其中IOG算法于2020年提出，是近期分割效果最優(yōu)秀和人工成本最低的算法，能在3次人工點(diǎn)擊后取得92的IoU評(píng)分。此算法的優(yōu)勢(shì)源于同時(shí)選取了分割目標(biāo)的包圍框和中心點(diǎn)，但是也存在一些問(wèn)題，如在處理關(guān)鍵點(diǎn)信息的過(guò)程中將關(guān)鍵點(diǎn)信息和圖像信息進(jìn)行了融合處理，這就導(dǎo)致關(guān)鍵點(diǎn)信息在一定程度上的丟失。

綜上，IOG算法的優(yōu)勢(shì)在于，人機(jī)交互成本更低，有著較高的容錯(cuò)率，同時(shí)在精度方面取得了較好的成績(jī)，因此，文中選擇IOG網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為文中的基礎(chǔ)框架，使用非對(duì)稱注意力機(jī)制對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)將關(guān)鍵點(diǎn)信息的單獨(dú)處理和再融合，取得一定的改進(jìn)效果。

1 交互式圖像分割網(wǎng)絡(luò)

1.1 網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)

文中算法的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。如圖1所示，文中算法引入了一個(gè)非對(duì)稱的注意力機(jī)制結(jié)構(gòu)，只在特征提取部分加入了關(guān)鍵點(diǎn)信息的注意力機(jī)制，而在上采樣的部分則沒(méi)有加入。文中算法之所以強(qiáng)調(diào)非對(duì)稱注意力結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，是因?yàn)樵诖蟛糠謭D像處理算法中，都使用了對(duì)稱的注意力結(jié)構(gòu)。多數(shù)的圖像分割或是圖像重建算法都由特征提取網(wǎng)絡(luò)和上采樣網(wǎng)絡(luò)組成。在上采樣網(wǎng)絡(luò)中主要進(jìn)行圖像的生成工作，因此加入一些注意力結(jié)構(gòu)在某些情況下也能提升網(wǎng)絡(luò)精度。

在文中算法中，關(guān)鍵點(diǎn)信息主要的效果是提升特征提取網(wǎng)絡(luò)的效果，本身包含的圖像細(xì)節(jié)信息較少。如果在上采樣部分也加入注意力結(jié)構(gòu)，將關(guān)鍵點(diǎn)信息進(jìn)行上采樣后再次輸入，會(huì)導(dǎo)致上采樣層中過(guò)度關(guān)注分割目標(biāo)中心，從而丟失大量圖像細(xì)節(jié)信息，最終引起分割精度下降。文中在實(shí)驗(yàn)部分將對(duì)稱結(jié)構(gòu)與非對(duì)稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比，非對(duì)稱結(jié)構(gòu)比對(duì)稱結(jié)構(gòu)的效果要更優(yōu)秀。

圖1 文中算法網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

文中提出的非對(duì)稱關(guān)鍵點(diǎn)注意力機(jī)制分割網(wǎng)絡(luò)的主干框架與IOG算法相同，都使用了一個(gè)基于DeepLabv 3+[8]提出的ResNet–101[9]網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在研究的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)只使用一個(gè)單獨(dú)的特征提取網(wǎng)絡(luò)然后進(jìn)行簡(jiǎn)單的上采樣操作獲取結(jié)果時(shí)，會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的邊緣分割誤差。如果直接將網(wǎng)絡(luò)深度增加，只能夠優(yōu)化小部分邊緣和內(nèi)部的信息分割效果，這就意味著必須做出一些網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，才能夠避免網(wǎng)絡(luò)忽略目標(biāo)分割對(duì)象的邊緣信息。

如圖1所示，文中算法根據(jù)IOG算法的結(jié)構(gòu)采用了類U–Net[10]的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)去解決上述邊緣分割效果較差的問(wèn)題。通過(guò)特征提取層和上采樣網(wǎng)絡(luò)層的跳躍連接，將低級(jí)細(xì)節(jié)信息和高級(jí)全局特征從不同尺度輸入上采樣的過(guò)程中，以此來(lái)達(dá)到優(yōu)化邊緣分割的效果。

具體的分割網(wǎng)絡(luò)共由4個(gè)部分組成，相比IOG算法增加了一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)特征提取網(wǎng)絡(luò)部分。暫且將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的不同部分分別命名為a、b、c和d。第1個(gè)部分a，采用了ResNet–101作為特征提取部分的主干，以原圖像信息和關(guān)鍵點(diǎn)信息構(gòu)成的五通道圖像作為輸入。其中圖像信息使用的是RGB三通道圖像表示方法，而關(guān)鍵點(diǎn)信息則分為兩通道，一個(gè)通道存放2次外部點(diǎn)擊信息，另一通道存放1次內(nèi)部點(diǎn)擊信息。在b部分包含了一個(gè)與a部分相似的注意力結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)的輸入則是關(guān)鍵點(diǎn)信息互相結(jié)合的一個(gè)二通道圖像，此子網(wǎng)絡(luò)的每層輸出都會(huì)和a部分中的相應(yīng)層輸出進(jìn)行相加操作，這樣做的目的是讓關(guān)鍵點(diǎn)信息在卷積的過(guò)程中始終起到引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特征提取的效果。c部分是一個(gè)實(shí)現(xiàn)上采樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從整體上看a部分和c部分可以發(fā)現(xiàn)，文中算法通過(guò)橫向連接，逐步將來(lái)自較深層的圖像分割信息與來(lái)自淺層的淺層信息融合，這能進(jìn)一步提高特征提取部分在分割過(guò)程中所獲取信息的利用率。同時(shí)d部分FineNet則獲得從c中每一不同尺度所給出的粗略預(yù)測(cè)信息，通過(guò)結(jié)合這些不同尺度的信息，能夠起到恢復(fù)缺失的邊緣細(xì)節(jié)的效果。d部分中，每一小塊都采用了bottleneck結(jié)構(gòu)。通過(guò)這種多尺度的融合結(jié)構(gòu)，上采樣和級(jí)聯(lián)操作才能夠?qū)⑻卣魈崛∵^(guò)程中的不同級(jí)別的信息融合在一起。

1.2 非對(duì)稱注意力結(jié)構(gòu)

文中算法的非對(duì)稱注意力結(jié)構(gòu)以Resnet101為基礎(chǔ)，見(jiàn)圖2。

圖2中，含有標(biāo)識(shí)的塊表示卷積層的疊加，具體疊加方式見(jiàn)圖3。

在文中的非對(duì)稱注意力結(jié)構(gòu)中，主要使用了與Resnet101相似的結(jié)構(gòu)。如圖2所示，注意力結(jié)構(gòu)以兩通道的點(diǎn)擊信息作為輸入，整體結(jié)構(gòu)與主特征提取網(wǎng)絡(luò)一致。特征提取網(wǎng)絡(luò)開始時(shí)使用了大小為7×7的卷積核進(jìn)行卷積預(yù)處理，然后通過(guò)了一個(gè)池化層。在整個(gè)結(jié)構(gòu)中總共運(yùn)用了4個(gè)池化層，能夠在保留數(shù)據(jù)特征的同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的輕量化，減少特征圖的深度，從而去除冗余的數(shù)據(jù)部分。在卷積塊疊加的過(guò)程中，注意力結(jié)構(gòu)發(fā)揮了作用，在每次主特征提取網(wǎng)絡(luò)對(duì)圖像進(jìn)行特征提取的同時(shí)，注意力網(wǎng)絡(luò)對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)信息進(jìn)行特征提取，并將提取結(jié)果與圖像提取結(jié)果進(jìn)行融合，以達(dá)到加強(qiáng)關(guān)鍵點(diǎn)信息引導(dǎo)作用的目的。特征提取部分的提取操作（計(jì)算機(jī)語(yǔ)言）可以表示為式（1）—（4）。

圖2 文中算法非對(duì)稱注意力結(jié)構(gòu)

圖3 文中算法注意力塊結(jié)構(gòu)

圖3中展示了注意力層的一些細(xì)節(jié)。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中主要采用了1×1和3×3大小的卷積核，其中1×1大小的卷積核主要用來(lái)控制特征圖像的尺寸和深度，3×3的卷積核則能夠?qū)植啃畔⑦M(jìn)行特征提取操作。每個(gè)注意力塊中都涉及到次的卷積循環(huán)操作，這是為了在不同的塊中進(jìn)行多次卷積操作的疊加，能夠進(jìn)一步加深網(wǎng)絡(luò)深度，從而獲得更優(yōu)秀的特征提取效果。

1.3 非對(duì)稱注意力結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性

IOG的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在卷積的過(guò)程中，關(guān)鍵點(diǎn)的信息會(huì)和圖像信息完全混合，而圖像信息本身有著較高的復(fù)雜程度，這就導(dǎo)致在高層全局特征中關(guān)鍵點(diǎn)信息從一定程度上被丟失，不能起到更好的引導(dǎo)作用。

例如，當(dāng)IOG在處理一個(gè)交互式圖像分割項(xiàng)目時(shí)，首先會(huì)將關(guān)鍵點(diǎn)信息與圖像信息進(jìn)行結(jié)合，生成一個(gè)五通道深度的圖像，其中前3個(gè)通道分別為R、G、B這3個(gè)顏色通道，后2個(gè)通道則包含關(guān)鍵點(diǎn)信息，一個(gè)通道表示外部關(guān)鍵點(diǎn)，另一個(gè)通道為內(nèi)部關(guān)鍵點(diǎn)。在第1層卷積的過(guò)程中，圖像的五通道信息被綜合考慮，經(jīng)過(guò)一個(gè)大小為7×7×5的卷積核進(jìn)行卷積，生成一個(gè)深度為64的特征圖。由于關(guān)鍵點(diǎn)信息的特殊性，后2個(gè)通道中的大部分信息都表示為0的形式，只有關(guān)鍵點(diǎn)部分表示為255，而圖像部分的三通道信息大部分都在0～255，這就意味著相比圖像信息而言，關(guān)鍵點(diǎn)信息的復(fù)雜程度較低。隨著卷積計(jì)算多次步驟的疊加，關(guān)鍵點(diǎn)信息與圖像信息會(huì)完全融合，盡管關(guān)鍵點(diǎn)信息被考慮進(jìn)了分割的信息池內(nèi)，但是在計(jì)算的過(guò)程中關(guān)鍵點(diǎn)的信息會(huì)因與圖像信息混合而變形，丟失了部分原本包含的信息，這就導(dǎo)致關(guān)鍵點(diǎn)信息不能夠在分割過(guò)程中起到充分的引導(dǎo)作用。

受到首個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)注意力機(jī)制分割算法[6]的啟發(fā)，文中延續(xù)了關(guān)鍵點(diǎn)注意力機(jī)制的思想，基于IOG網(wǎng)絡(luò)提出了新的特征提取策略。通過(guò)采用一個(gè)非對(duì)稱注意力結(jié)構(gòu)將關(guān)鍵點(diǎn)信息獨(dú)立輸入不同的網(wǎng)絡(luò)層中，使得關(guān)鍵點(diǎn)信息在特征提取的過(guò)程中始終起到一個(gè)引導(dǎo)的作用。同時(shí)關(guān)鍵點(diǎn)信息也通過(guò)跳躍連接作用于上采樣網(wǎng)絡(luò)的不同層中。這樣的優(yōu)勢(shì)在于關(guān)鍵點(diǎn)信息可以始終作用于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)部分，將人機(jī)交互過(guò)程中所獲取的信息收益放大。

正如1.1節(jié)所提到的，IOG算法在分割過(guò)程中會(huì)面臨關(guān)鍵點(diǎn)信息部分丟失的問(wèn)題，而文中提出的非對(duì)稱注意力結(jié)構(gòu)可以將關(guān)鍵點(diǎn)信息在卷積的過(guò)程中獨(dú)立分離出來(lái)進(jìn)行卷積操作，這樣做的好處是分離出的關(guān)鍵點(diǎn)信息部分不會(huì)被圖像信息所污染，能夠?qū)⒃镜男畔⒈Ａ舻矫總€(gè)特征層部分，通過(guò)不同尺度上的疊加來(lái)進(jìn)行對(duì)分割的引導(dǎo)。

2 人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)

2.1 算法交互過(guò)程

文中算法的人機(jī)交互點(diǎn)擊過(guò)程與IOG算法類似，主要包括3次人工點(diǎn)擊：首先在任何對(duì)稱的角位置（左上角和右下角或右上角和左下角）進(jìn)行2次外部點(diǎn)擊，形成一個(gè)幾乎緊密的包圍感興趣的目標(biāo)的邊界框，然后在內(nèi)部點(diǎn)擊，定位大致位于目標(biāo)中心。

如圖4所示，文中算法的人機(jī)交互包括步驟 如下。

1）第1次外部點(diǎn)擊。用戶單擊確定左上角的邊框點(diǎn)。

2）第2次外部點(diǎn)擊。當(dāng)用戶移動(dòng)光標(biāo)至邊框右下角時(shí)，使用引導(dǎo)線提示用戶包圍框的位置，并在圖像中上生成一個(gè)邊界框。

3）內(nèi)部點(diǎn)擊選擇物體。在目標(biāo)對(duì)象的中心位置附近放置內(nèi)部單擊。

4）顯示分割結(jié)果。內(nèi)部點(diǎn)擊（紅色）與4個(gè)外部點(diǎn)擊（2個(gè)點(diǎn)擊的點(diǎn)和2個(gè)自動(dòng)推斷的點(diǎn)）（藍(lán)色）構(gòu)成內(nèi)外引導(dǎo)，以此分別確定編碼的前景和背景區(qū)域。

調(diào)查表明，在數(shù)據(jù)集ImageNet[11]上繪制一個(gè)緊湊型的包圍框平均耗時(shí)為25.5 s[12]。這是由于人工標(biāo)注的邊界和物體實(shí)質(zhì)邊界的像素點(diǎn)總有差別，因此難以確定。使用一些簡(jiǎn)單的提示來(lái)表示邊界框的位置，例如使用水平和垂直向?qū)Ь€使框在單擊時(shí)可見(jiàn)，給人繪制邊界框的負(fù)擔(dān)可以大大減輕，見(jiàn)圖4a—b。據(jù)IOG算法中的相關(guān)調(diào)查顯示，在引導(dǎo)線的幫助下繪制一個(gè)邊框通常需要只6.7 s[7]。

2.2 訓(xùn)練過(guò)程模擬關(guān)鍵點(diǎn)的選取

為了在訓(xùn)練過(guò)程中模擬人工選取的關(guān)鍵點(diǎn)信息，文中采用了一種根據(jù)數(shù)據(jù)集中目標(biāo)分割的真值結(jié)果來(lái)進(jìn)行模擬關(guān)鍵點(diǎn)選取的方法。

雖然電氣設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮了防振問(wèn)題，但是由于周邊或自身工作時(shí)的振動(dòng)，容易引起電氣設(shè)備的緊固螺絲松動(dòng)，接插件等的松動(dòng)，插件板的松動(dòng)等，進(jìn)而會(huì)引起電氣接觸不良、斷線、脫落、開焊、錯(cuò)位、使動(dòng)作失常和控制失靈。因此，對(duì)于振動(dòng)大，或者振動(dòng)對(duì)設(shè)備運(yùn)行造成威脅的場(chǎng)合必須采取防震、隔振的措施。

首先，包圍物體的包圍框是由外部關(guān)鍵點(diǎn)決定的。外部關(guān)鍵點(diǎn)的選取較為簡(jiǎn)單，只需要對(duì)真值圖像的目標(biāo)部分取一個(gè)簡(jiǎn)要的包圍框即可。

內(nèi)部關(guān)鍵點(diǎn)由一個(gè)位于分割目標(biāo)中心位置周圍的單擊操作來(lái)確定，這個(gè)內(nèi)部點(diǎn)選取的目的是為了區(qū)分分割目標(biāo)，避免在同一個(gè)包圍框的區(qū)域中可能有多個(gè)對(duì)象帶來(lái)的干擾。為了模擬人工點(diǎn)擊的效果，采取了選擇在離對(duì)象邊界最遠(yuǎn)的位置取內(nèi)部關(guān)鍵點(diǎn)的方法。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)使用的相關(guān)環(huán)境為：python3.8、pytorch1.4.1、cuda11.1、windows10、Nvidia GeForce GTX3080Ti GPU。使用了PASCAL[13]數(shù)據(jù)集。值得注意的是，在此網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的測(cè)試過(guò)程中，輸出的掩碼是灰度圖像的格式，因此要先進(jìn)行二值化操作再與數(shù)據(jù)集中給出的真實(shí)值進(jìn)行比對(duì)。

3.1 IoU評(píng)價(jià)對(duì)比

文中使用IoU[5]指標(biāo)對(duì)圖像分割算法進(jìn)行評(píng)估，該值表示算法獲取的分割結(jié)果與圖像中相應(yīng)目標(biāo)區(qū)域的交并比。在表1中，展示了現(xiàn)有交互式分割算法的分割效果，最后3種方法只使用了3次點(diǎn)擊交互，學(xué)習(xí)率均設(shè)定為1×10?8，batch size均設(shè)定為4，使用了相同的SGD損失函數(shù)，保證了參數(shù)的一致性。通過(guò)數(shù)值的比較可以明顯看出，文中的算法在交互成本和分割精度方面都處于最優(yōu)秀的行列，同時(shí)分割精度較目前最優(yōu)秀的方法稍有提升。從提升精度角度來(lái)看，文中算法較IOG算法只提升了0.2%，這是因?yàn)樵诮换コ杀臼艿较拗频那闆r下，為保證網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行速度，并未對(duì)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和深度進(jìn)行大量修改，進(jìn)一步提升精度較為困難。文中的方法在小批次訓(xùn)練效果和擬合速度方面都取得了更優(yōu)秀的成績(jī)，見(jiàn)表2。

表2中展示了4種算法不加載預(yù)訓(xùn)練模型僅在PASCAL數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練100個(gè)epoch后的結(jié)果?？梢?jiàn)文中的非對(duì)稱注意力結(jié)構(gòu)除了準(zhǔn)確率更高的優(yōu)勢(shì)之外，還可以在更小的訓(xùn)練集上快速擬合。其中，DEXTR算法、IOG算法都選取了第100個(gè)epoch為最優(yōu)節(jié)點(diǎn)，對(duì)稱注意力機(jī)制分割方法選取了第96個(gè)epoch為最優(yōu)節(jié)點(diǎn)，而文中算法在第93個(gè)epoch就達(dá)到了最佳的擬合效果。

表1 基于PASCAL數(shù)據(jù)集的現(xiàn)有算法分割結(jié)果準(zhǔn)確率對(duì)比

Tab.1 Accuracy of released networks on PASCAL

注：“—”表示該項(xiàng)目未給出相關(guān)的評(píng)級(jí)策略；帶“*”的數(shù)值表示該網(wǎng)絡(luò)僅用PASCAL數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練。

表2 基于PASCAL數(shù)據(jù)集的小批次訓(xùn)練結(jié)果對(duì)比

Tab.2 Accuracy of released networks on PASCAL with small training dataset

在不加載任何預(yù)訓(xùn)練模型的情況下，IOG算法訓(xùn)練100個(gè)epoch后取最優(yōu)節(jié)點(diǎn)，在PASCAL上取得的準(zhǔn)確率為86.6%，而文中算法可以達(dá)到87.9%的準(zhǔn)確率，DEXTR僅能達(dá)到82.1%的準(zhǔn)確率，對(duì)稱注意力機(jī)制算法則略低于非對(duì)稱版本，只能達(dá)到87.4%。從準(zhǔn)確率的角度分析，DEXTR算法的準(zhǔn)確率最低，分割精度較差，IOG算法準(zhǔn)確率高于DEXTR算法，但未達(dá)到加入注意力機(jī)制后的算法水平。加入注意力機(jī)制后，在小批次訓(xùn)練的條件下，2種注意力機(jī)制都取得了較好的效果，這是因?yàn)樽⒁饬C(jī)制使得網(wǎng)絡(luò)對(duì)交互信息的利用率得到了提升，而非對(duì)稱注意力機(jī)制相較對(duì)稱注意力機(jī)制領(lǐng)先了0.5%，這是因?yàn)殛P(guān)鍵點(diǎn)信息在上采樣的部分起到的效果一般，因此非對(duì)稱注意力機(jī)制的效果更好。在表1中，加入對(duì)稱注意力機(jī)制會(huì)導(dǎo)致算法效果比IOG更差，這是因?yàn)樵诩虞d預(yù)訓(xùn)練模型后，訓(xùn)練后網(wǎng)絡(luò)的整體精度提升，而上采樣中的關(guān)鍵點(diǎn)信息會(huì)對(duì)特征提取部分獲得的信息產(chǎn)生較大的影響，反而會(huì)以噪聲的形式對(duì)圖像重建產(chǎn)生干擾，因此，文中算法在小批次數(shù)據(jù)集上的訓(xùn)練效果要比另外3種算法更優(yōu)秀。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可視化分析

了更加直觀地體現(xiàn)文中算法在圖像信息復(fù)雜的情況下所具備的優(yōu)勢(shì)，DEXTR算法（圖5b、g、l）、IOG算法（圖5c、h、m）、對(duì)稱注意力機(jī)制算法（圖5d、i、n）和文中算法（圖5c、j、o）的部分分割結(jié)果可視化對(duì)比見(jiàn)圖5，均為加載預(yù)訓(xùn)練模型訓(xùn)練后的分割結(jié)果。圖6a、f、k展示了圖5a、f、k這3幅圖像的真值結(jié)果，其余圖為圖5中分割結(jié)果與真值結(jié)果的差值圖像，淺色部分為算法結(jié)果將背景信息誤判為分割目標(biāo)的部分，深色部分為分割目標(biāo)的缺失部分。這個(gè)過(guò)程中閾值取為0.5級(jí)，即以128為閾值，是因?yàn)榇碎撝档燃?jí)最為常見(jiàn)，有較高的實(shí)用性，因此將分割結(jié)果像素值小于128的部分進(jìn)行丟棄，進(jìn)行了分割結(jié)果的二值化操作。

圖5 部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖6 部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果差值圖對(duì)比

注：IoU和mIoU的值分別為分割結(jié)果的0.5級(jí)閾值準(zhǔn)確率和平均準(zhǔn)確率。

為了進(jìn)一步說(shuō)明4中方法的差別，將圖6中對(duì)應(yīng)的每行圖像加以放大說(shuō)明，見(jiàn)圖7—9。

圖5a在4種算法下的分割誤差見(jiàn)圖7。DEXTR方法將人物的頭部和部分身體誤判為了馬匹的身軀部分，由叉號(hào)標(biāo)出；IOG方法稍有改善，將人物左側(cè)身體成功篩除，但仍將人物頭部和右側(cè)身體誤判為馬匹，由叉號(hào)標(biāo)出；對(duì)稱注意力機(jī)制方法的分割誤差在馬匹左側(cè)和人物頭部的分割效果都得到了改善，由虛線包圍的區(qū)域和對(duì)號(hào)標(biāo)出，但是人物的身體部分被大量誤判為馬匹的身軀，由叉號(hào)標(biāo)出；文中非對(duì)稱注意力機(jī)制算法能做到精確分割人物頭部和身體部分，以及馬匹左側(cè)的部分都被精確分割，虛線和對(duì)號(hào)標(biāo)出了文中方法所改善的區(qū)域。

當(dāng)原圖中包含顏色相似接觸緊密的多個(gè)目標(biāo)時(shí)（圖5a中的馬匹和人物），DEXTR方法、IOG方法容易產(chǎn)生不同目標(biāo)間分割混亂的情況。采用對(duì)稱注意力機(jī)制的算法能夠減少不同顏色間的誤判，但容易在顏色相近的部分生成更多的雜邊和分割誤差。文中的方法則能夠更為清晰地得到分割結(jié)果，能夠區(qū)分顏色相近且距離緊密的不同目標(biāo)。

圖5f在4種算法下的分割誤差見(jiàn)圖8。DEXTR方法、IOG方法分割誤差部分，人物的腿部被自行車所遮擋，產(chǎn)生了較嚴(yán)重的目標(biāo)丟失，由叉號(hào)標(biāo)出；對(duì)稱注意力機(jī)制部分，人物的腿部被大量丟失，同時(shí)將自行車部分誤判為人物的腿部，由叉號(hào)標(biāo)出；文中非對(duì)稱注意力部分，人物的腿部得到了有效分割，同時(shí)不存在將自行車誤判為人物腿部的情況，由虛線包圍的區(qū)域和對(duì)號(hào)標(biāo)出。

當(dāng)原圖中的分割目標(biāo)被障礙物遮擋時(shí)（圖5f中的人物），DEXTR方法、IOG方法會(huì)由于目標(biāo)被遮擋而丟失一些信息。采用對(duì)稱注意力機(jī)制則容易丟棄更多目標(biāo)被遮擋的部分，同時(shí)存在遮擋物被誤判為目標(biāo)物的情況。文中的方法則能夠獲得較為精確的分割結(jié)果，能夠在排除遮擋物的情況下對(duì)目標(biāo)做出正確分割。

圖5k在4種算法下的分割誤差見(jiàn)圖9。DEXTR方法部分，將背景中的陰影部分誤判為了人體，由叉號(hào)標(biāo)出；IOG方法部分，則將人物手臂下的背景部分誤判為人物手臂，由叉號(hào)標(biāo)出；對(duì)稱注意力機(jī)制部分，人物手臂下的誤判得到了改善，由虛線包圍的區(qū)域和對(duì)號(hào)標(biāo)出，但在人物頭部的分割精度下降，將背景部分誤判為人物頭發(fā)，由叉號(hào)標(biāo)出；文中非對(duì)稱注意力機(jī)制部分，既改善了人物手臂下的誤判區(qū)域，在人物頭部生成的多余雜邊也較少，由2處虛線包圍的區(qū)域和對(duì)號(hào)標(biāo)出。

當(dāng)圖像整體偏暗，目標(biāo)顏色相近信息復(fù)雜時(shí)（圖5k中的人物），DEXTR方法、IOG方法都會(huì)產(chǎn)生較多雜邊。對(duì)稱注意力機(jī)制能夠減少一些外圍的雜邊，但在主體分割的精確度上反而會(huì)有部分下降。文中的分割算法在此情況下最清晰精確，能夠做到減少雜邊和誤判所帶來(lái)的分割誤差。

通過(guò)綜合分析這3種情況，說(shuō)明了文中的方法在多目標(biāo)色彩相似且距離復(fù)雜、目標(biāo)之間存在明顯遮擋關(guān)系、前景和背景色調(diào)相似等情況下都擁有更好的分割精度。

圖7 圖5a實(shí)驗(yàn)結(jié)果差值

圖8 圖5f實(shí)驗(yàn)結(jié)果差值

圖9 圖5k實(shí)驗(yàn)結(jié)果差值

3.3 泛化性能測(cè)試

如表3所示，在泛化性測(cè)試中，選用了COCO2017數(shù)據(jù)集中的部分圖片。首先對(duì)人像圖片進(jìn)行泛化性能測(cè)試，由于人像信息的復(fù)雜性，IOG算法和文中算法均表現(xiàn)一般。在PASCAL數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練的條件下，IOG算法的準(zhǔn)確率為49.0%，文中算法準(zhǔn)確率為50.4%。對(duì)車輛圖片進(jìn)行測(cè)試，IOG算法準(zhǔn)確率為59.4%，文中算法準(zhǔn)確率為60.8%。對(duì)家具圖片測(cè)試，IOG準(zhǔn)確率為52.9%，文中算法準(zhǔn)確率為53.8%。在測(cè)試中，對(duì)人物圖像和家具圖像效果較一般的原因是，這2類圖像一般構(gòu)成信息較為復(fù)雜，多存在物體重疊的部分，且顏色較為鮮艷，因此分割效果要略低于車輛圖片。在泛化性能上文中方法的準(zhǔn)確率較IOG算法平均高出1.2%，提升效果較為明顯。

表3 基于COCO數(shù)據(jù)集的算法泛化能力對(duì)比

Tab.3 Accuracy of interactive image segmentation network on COCO

泛化性能測(cè)試中部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖10，圖10a、d為實(shí)驗(yàn)圖像，圖10b、e為IOG算法的分割結(jié)果，圖10c、f為文中算法分割結(jié)果。從圖10中可以看出文中算法的分割結(jié)果邊緣更加清晰，像素填充更加穩(wěn)定均勻。

綜上，文中方法的泛化性能比IOG算法更加優(yōu)秀。

圖10 COCO數(shù)據(jù)集部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

文中提出了一種簡(jiǎn)單有效的非對(duì)稱注意力結(jié)構(gòu)，將交互式分割過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)信息單獨(dú)卷積后，在特征提取部分與圖像信息再融合，在避免關(guān)鍵點(diǎn)信息損失的同時(shí)加強(qiáng)了其對(duì)分割的引導(dǎo)效果，從而獲取了精度上的提升。同時(shí)，文中將多種方法進(jìn)行了對(duì)比，在小批次訓(xùn)練以及泛化性能等角度，文中算法均具優(yōu)勢(shì)。

盡管文中方法的交互模式十分簡(jiǎn)單，但實(shí)驗(yàn)表明，關(guān)鍵點(diǎn)模型在數(shù)據(jù)集的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和交互的便利性上具有優(yōu)勢(shì)，從而證明了它作為一個(gè)注釋工具的可能。后期的工作可以嘗試在其輸入信息中加入更多圖像信息，如邊緣信息和梯度信息。從信息量的角度來(lái)細(xì)化輸入或者從加深網(wǎng)絡(luò)深度的角度來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化，能作為該算法以后的改進(jìn)方向。

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Interactive Image Segmentation with Asymmetric Key Points Attention

SUN Liu-jie, FAN Jing-xing

(University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200125, China)

In the process of interactive image segmentation, human-computer interaction plays an important role. For higher efficiency of human-computer interaction, this paper describes a structure of asymmetric key points attention, which can integrate human-computer interaction into the feature extraction network of interactive object segmentation with inside-outside guidance (IOG), based on guidance reinforcement of IOG for image segmentation of key points. This structure enhanced the accuracy to 92.2% without increasing the cost of interaction on PASCAL, 0.2% higher IOG (current best segmentation algorithm). While only training on PASCAL, the accuracy of this structure was obviously 1.3% higher than IOG. Under the assistance of the structure of asymmetric key points attention, the accuracy of segmentation can be improved without increasing the cost of interaction.

image segmentation; neural network; key points; human-computer interaction

TP183

A

1001-3563(2022)11-0292-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.11.037

2021–06–18

孫劉杰（1965—），男，博士，上海理工大學(xué)教授，主要研究方向?yàn)楣庑畔⑻幚砑夹g(shù)、印刷機(jī)測(cè)量與控制技術(shù)、數(shù)字印刷防偽技術(shù)。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋