DIGITS 是什么？
7 月 8 日，英伟达深度学习学院 DLI 线下训练营即将来到深圳，主题是图像分类、目标检测与图像分割的零基础开发入门。
虽然是全球范围内顶级的 AI 培训项目，但 DLI 进入中国的时间太晚，中文网页也才上线没多久，导致国内开发者只知英伟达的显卡，却不知道英伟达有线上、线下的 AI 技术培训。此前雷锋网(公众号：雷锋网)曾撰文介绍过 DLI，详情戳这里。
闲话少说，本期深圳 DLI 训练营主要用到 DIGITS 和 TensorFlow 两个工具。TensorFlow 大家都知道，不必介绍。但对 DIGITS 就很陌生了，它是什么呢？
DIGITS 是英伟达为普及深度学习开发的图形化操作界面，简单易用，旨在帮助初学者跨越入门障碍，迅速上手。因此，DLI 的入门培训均建议学员从 DIGITS 起步。
说白了， DIGITS 就是一个新手工具。但由于 DLI 刚刚进入中国，关于 DIGITS 的教程和信息并不充足，为初学者带来信息鸿沟。 因此，雷锋网对这篇英伟达博客发布的官方教程进行了编译。该教程指导读者用 DIGITS 5 和 Caffe 进行图像分割，它脱胎于 DLI 的线上实验室（online labs）培训课。后者收费且只用英文授课，并不对非会员开放。但大家能从这篇教程对其了解一个大概。
更重要的，7 月 8 日深圳的 DLI 线下训练营，三场主要培训分别是用 DIGITS 进行图像分类，用 DIGITS 目标检测，以及用 TensorFlow 进行图像分割（了解详情请点此）。虽然前两场的内容与本教程并不一致，最后一场的难度比本文高出许多，而且用的是 TensorFlow 而非 Caffe，但这篇教程与 DLI 付费培训的内容已十分接近。
感谢三位童鞋朱婷、彭艳蕾与马晓培编译本文花费的心血。
教程：用 DIGITS 5 进行图像分割（下）
基于FCN的图像分割
前一节展示了如何设计一个FCN ，来预测每个窗口的某个类的概率分布。显然,窗口的数量取决于输入图像的大小、窗口的大小和扫描输入图像时窗口之间的步长。理想情况下,一个图像分割模型将生成图像中所有像素的概率分布。在实践中如何做到呢?这里将使用FCN paper上的一个方法。
当输入图像遍历卷积化的 Alexnet 的连续层时,像素数据的输入被高效地压缩成一组粗化的、更高级的特性表征。图像分割的目的是篡改这些粗化的特征来重建细分类，对输入中的每个像素都是如此。事实证明,这在解卷积层中很容易实现。这些层执行与卷积层相反的操作:给定了卷积输出,一个解卷积层会将输入生成输出,从而给出过滤器的定义。记住,卷积中的跨层(或池化层)定义了处理输入时窗口的滑动距离,以此来衡量下游输出。相反,解卷积层的步幅是衡量上游取样的输出。若选择步幅为4，那么输出将是4倍大!
下一个问题是:给定模型中的最终卷积层，需要对其激活做多大幅度的升采样，才能使输出与输入图像的大小相同？我需要仔细检查每层并写下它的缩放因子。一旦每一层都这样处理,我只需将缩放因子相乘并汇总。让我们看看第一个卷积Alexnet层。
conv1的步幅是4,因此缩放因子是1/4。所有层都重复这样做,我确定了总缩放因子在模型中是1/32,如Table 2中概述那样。这样,解卷积层的步幅就是32了。
出于严谨,我不得不说,“在所有的空间维度上，一个步幅为S的卷积层，产生的输出都是输入的1 / S”这句话并不是完全正确的。在实践中,向输入加入填充P > 0将会增加激活数。相反,使用大小为 K > 1的核（kernels）将会减少输入端的激活数。在此限制下，如果你为卷积层提供了一个无限长的输入,输入/输出大小的比例在所有的(空间)维度上实际是1 / S。现实中,每一个卷积(池)层的输出被偏移了(P -(k - 1)/ 2)/ S。
例如,考虑conv1:因为这一层在两侧各有100像素的填充,它的输出比无填充的更大。通过上面的公式,我们可以计算出输出的每一侧在理论上有23.75个额外像素。随着添加更多层，这会累积起来。通过向后运行图，可以计算所有层的累计抵消。L1与L2层的组合(i.e. 在Caffe术语中，L2是L1的底层，L1、L2 又分别抵消 O1、O2) 会抵消O2 / F + O1,这里F是L2的累积缩放因子。
参考表2对那些计算的汇总
表2:卷积化的Alexnet中，遍布连续层的缩放因子和抵消补偿。* 对反卷积层来说缩放因子等于步幅，抵消等于(k - 1)/ 2 p。
表2表明,通过所有conv1到upscore的层时，神经网络的输出被18个像素根据输入做了相应移动。最后一个分割模型中的技巧，是一个修剪网络输出、移除每个边界上额外的18像素的层。这很容易在Caffe 的 Crop layer 中实现,下面的清单中对这些做了定义。
你可能会注意到,这个版本的Alexnet的内边距（padding）比你经常在conv1层遇到的多一点。这背后有两个原因:一个原因是，产生了更大的初始化偏移,以补偿连续层没有吃进图像的缺失。然而,主要的原因是网络以最佳方式处理输入图像的边界 ,以命中网络可接受域的中心,大概就是这样。
现在，我有了从FCN paper复制FCN FCN-Alexnet模型所需的一切。我们可以放松一下,欣赏一些SYNTHIA数据集里的图像。
SYNTHIA 数据集
SYNTHIA数据集最初发表在paper [5]。
SYNTHIA数据集的样本图像见图9。这些图像展示了用不同的对象类合成的城市场景，比如不同条件下的建筑物、道路、车辆和行人, 如昼夜。有趣的是,图片看起来特真实以致于有时候人们会被它们吸引:嗯,第一张图片上那个在路中间看报纸的人有点反常，这么干很危险。
在 DIGITS 5.0 中，创建一个图像分割数据集十分简单，只需要选中输入和真实样本图像文件夹，点击“Create”按键。DIGITS 支持多种标签格式，比如画板图片（它的标签图像中的像素值是彩色画板的指数）和 RGB 图片（每种颜色指示一个类）。
在 DIGITS 中创建数据集之后，你可以探索数据库在视觉上检查它们的内容，见图10。
训练模型
在DIGITS里训练模型，有数据集和对神经网络的描述就够了。如果你觉得用卷积Alexnet太复杂太耗时的话，别烦恼：DIGITS 5.0版有一个模型商店，而且就像你能想象的那样，FCN-Alexnet可以从这个模型商店里下载！
但如果你决定要走一条更难的路，去创造自己的模型描述，就可能要找一个合适的权重初始值方案，比如说Kaiming方法（另名MSRA），是目前最前沿的修正流线性单元形式。这个在Caffe里很容易实现，只要加上一个权重过滤器 { type: "msra" }指向你的参数层就好了。如果在DIGITS里用这种方法训练模型，很有可能得到像图11的曲线。从图中可以看出，结果并不尽如人意。验证集的准确程度在35%的时候达到最高（意思是说只有在验证数据集里35%的像素被准确地标记出来）。训练损失跟验证损失一致，意味着这个网络（模型）对训练数据集欠拟合。
图11: 用Synthia数据训练FCN-Alexnet网络（模型），在DIGITS里面利用随机权重初始值方法得到的训练集/验证集的损失和准确率：蓝线--训练集的损失走势，绿线--验证集的损失走势，黄线--模型结果在验证集里的准确率
你可以在一个样例图片上试试运气，让DIGITS帮你完成图片分割的可视化。你会发现网络（模型）会不分青红皂白的把所有元素都归类成“建筑物”，就像图12所示。原来在SYNTHIA数据中，“建筑物”是最具代表性的目标类别，而网络（模型）只是懒洋洋地进行了学习并把所有图片元素都标记成了“建筑物”才达到了35%的准确率。那么，一般可接受的处理这种网络（模型）在训练集里欠拟合的方法都有哪些呢？
拉长训练时间：只观察损失曲线的走势，训练过程貌似达到了最高，然而这很可能没什么帮助。网络（模型）很有可能进入了局域最小值而且不能从中脱离出来。
提高学习率同时减少每批量的大小：这样做可以鼓励陷入局域最小值不能自拔的网络（模型）去探索周围环境之外的区域，尽管这样会增大网络（模型）发散的风险。
增加模型大小：这种方法可以加大模型的表现力。
还有一种方法我发现在计算机视觉中应用得非常好：转化学习。更多请继续往下读。
图12：图片分割可视化的样本展示：网络（模型）把所有元素都归类成了“建筑物”。此样本是利用随机权重初始值的方法，在DIGITS里用Synthia数据训练FCN-Alexnet网络（模型）得到的。
迁移学习
你不用非得从随机初始化权重开始，来训练一个模型。很多情况下，重新利用网络（模型）训练另外一组数据中的得到的认知，会很有帮助。这种方法在计算机视觉里通过CNN网络（模型）尤其奏效，因为很多低级的特征（线路，拐角，形状，纹理）可以马上应用在任意数据中。由于图片分割是在像素水平下做分类分析，从类似ILSVRC2012这样的图片分类数据集里做迁移学习十分合理。利用Caffe这样做就变得相当简单---当然需要设立一个或两个陷阱！
记得在Alexnet的fc6模型中（图8），权重的形状是4096×9216。在FCN-Alexnet的conv6模型中，权重的形状是4096x256x6x6。这其实是一样的权重值，但是由于形状不同，Caffe不能自动把权重转交到FCN-Alexnet模型里。这个任务可以交给“net surgery（网络手术）”脚本来履行，脚本例子可以在Github网站里的DIGITS知识库找到。网络手术脚本的功能在于把参数从全连接层移植到对应的卷积层里。然而，你会发现从公共的DIGITS模型商店里下载提前训练好的模型会更简单一些。图13展示了模型商店的界面：在“FCN-Alexnet”旁边，点击“导入”，DIGITS就会下载提前训练好的模型。
图13：DIGITS模型商店
你可能会有另外一个顾虑，那就是怎样初始化早先加入到该文本的升采样层呢？别忘了，此升采样层并不是原始Alexnet模型中的一部分。在FCN那篇论文中，作者建议随机初始化对应的权重，然后让网络（模型）学习它们。该篇论文的作者后来意识到，初始化这些权重其实很简单，通过做双线性插值，让升采样层充当放大镜就可以了。在Caffe里，这种方法可以通过加上一个权重过滤器 { type: "bilinear" }指向升采样层来实现。
利用一个提前训练好的FCN-Alexnet模型，你会注意到，在检测图14这种个别图像的时候，准确率会快速超过90%。检测到9个不同的类别，图形分割结果会变得更有说服力。但你还是会有点失望，因为物体轮廓仍然非常模糊。请继续往下读本文的最后一个章节：如何进一步提高分割模型的精确性和准确性。
图14：图片分割可视化的样本展示。此样本是利用一个提前训练好的ILSVRC2012-Alexnet模型，在DIGITS里用Synthia数据训练FCN-Alexnet网络（模型）得到的。
启用细化分割
之前加进FCN-Alexnet的升采样层，把conv7的输出值扩大了32倍。在实际应用中，这意着对于每个32×32的像素块，神经网络会做一次预测。这也就解释了为啥目标物体轮廓会那么模糊。那篇FCN文章介绍了另外一个非常棒的主意来解决上面的局限：跳过那些被加入的连接层，直接把pool3和pool4的输出值重新定向到网络的输出值上。由于那些汇总层(pool3, pool4)位于网络的靠后方向，它们就可以在低水平的特征上运作，从而能够抓到更细致的细节。
在一个叫做FCN-8s的网络结构中，那篇FCN文章介绍了一个基于VGG-16的网络，利用这个网络，最后输出结果可以是pool3的总和采样层×8，可以是pool4的采样层×2，还可以是conv7的采样层×4，如图15所示。这就引导出一种网络，能够在更细分的纹路生成预测，向下到8×8的像素块。
图15: FCN-8s跳过连接层的演示图。来源：FCN文献
为了方便使用，用户可以在公共的DIGITS模型商店里下载一个提前训练好的FCN-8s。（你肯定不想自己动手卷积VGG-16）如果你用DIGITS在SYTHIA数据上训练FCN-8s，你会发现仅仅经过几个epoch(时期)，验证集的准确率就能超越95%。更重要的是，当你在一个样本图片上做实验，观察DIGITS的高超图片分割可视化的时候，你会看到更为清晰的物体轮廓，像图16中那样。
图16: 图片分割可视化的样本展示。此样本是利用DIGITS在Synthia数据上训练FCN-8s网络（模型）得到的。
现在该你了
读过本文之后，怎样开始做图片分割，你应该心里有谱了。DIGITS 5会在12月份的第一个星期发布。访问DIGITS网站继续学习，注册NVIDIA Developer program账号，以便下载版本可用时及时收到通知。
DIGITS在GitHub上是一个可共享的开源项目。如果你想上手实践图片分割技术，请直接访问DIGITS GitHub项目网页，以便得到源代码。
论文索引
[1] Krizhevsky, A., Sutskever, I. and Hinton, G. E. “ImageNet Classification with Deep Convolutional Neural Networks”. NIPS Proceedings. NIPS 2012: Neural Information Processing Systems, Lake Tahoe, Nevada. 2012.
[2] Christian Szegedy, Wei Liu, Yangqing Jia, Pierre Sermanet, Scott Reed, Dragomir Anguelov, Dumitru Erhan, Vincent Vanhoucke, Andrew Rabinovich. “Going Deeper With Convolutions”. CVPR 2015.
[3] Simonyan, Karen, and Andrew Zisserman. “Very deep convolutional networks for large-scale image recognition.” arXiv technical report arXiv:1409.1556. 2014.
[4] Long, Jonathan, Evan Shelhamer, and Trevor Darrell. “Fully convolutional networks for semantic segmentation.” Proceedings of the IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition 2015: 3431-3440.
[5] Ros, German, Laura Sellart, Joanna Materzynska, David Vazquez, and Antonio M. Lopez; “The SYNTHIA Dataset: A large collection of synthetic images for semantic segmentation of urban scenes.” Proceedings of the IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition 2016: 3234-3243.
[6] He, Kaiming, Xiangyu Zhang, Shaoqing Ren, and Jian Sun “Delving deep into rectifiers: Surpassing human-level performance on imagenet classification.” Proceedings of the IEEE International Conference on Computer Vision 2015: 1026-1034.
via nvidia
