TensorFlow2实现空间自适应归一化（Spatial Adaptive Normalization, SPADE）

Posted 2021-08-12 盼小辉丶

TensorFlow2实现空间自适应归一化（Spatial Adaptive Normalization, SPADE）

• • 空间自适应归一化（Spatial Adaptive Normalization, SPADE）
  • • 使用独热编码标记分割蒙版
    • 实现SPADE
  • 在残差网络中应用SPADE

空间自适应归一化（Spatial Adaptive Normalization, SPADE）

空间自适应归一化(Spatial Adaptive Normalization, SPADE)是GauGAN中的主要创新点，其用于语义分割图的层归一化，为了更好的解释SPADE，需要首先了解GauGAN网络输入——语义分割图。

使用独热编码标记分割蒙版

考虑训练GauGAN所用的Facades数据集。其中，分割图在RGB图像中被编码为不同的颜色，如下图所示。例如，一堵墙以蓝色表示，柱子以红色表示。这种表示在视觉上让我们易于理解，但对神经网络的学习并没有帮助，这是因为对于GAN而言，颜色没有语义。

颜色在颜色空间中更接近并不意味着它们在语义上也接近。例如，我们可以用浅绿色表示草，用深绿色表示飞机，即使分割图的色相接近，它们的语义也不相关。
因此，我们应该使用类标签，而不是使用颜色来标记像素。但是，这仍然不能解决问题，因为类别标签是随机分配的数字，并且它们也没有语义。因此，一种更好的方法是在该像素中存在对象时使用标签为1的分割蒙版，否则使用标签为0的分割蒙版。换句话说，我们将分割图中的标签独热编码为形状(H, W, number of classes)的分割蒙版。
在JPEG编码中，在压缩过程中会删除一些对视觉效果不太重要的视觉信息。即使结果像素应该属于同一类并且看起来是相同的颜色，它们也可能具有不同的值。因此，我们无法将JPEG图像中的颜色映射到类。为了解决这个问题，我们需要使用未压缩的图片格式BMP。在图像加载和预处理中，我们将加载文件，并将它们从BMP转换为独热编码的分割蒙版。
有时，TensorFlow的基本图像预处理API无法执行一些复杂的任务，因此我们需要使用其他Python库，tf.py_function允许我们在TensorFlow训练流程中运行通用Python函数：

def load(image_file):
    def load_data(image_file):
        jpg_file = image_file.numpy().decode('utf-8')
        bmp_file = jpg_file.replace('.jpg', '.bmp')
        png_file = jpg_file.replace('.jpg', '.png')
        image = np.array(Image.open(jpg_file))/127.5-1
        map = np.array(Image.open(png_file))/127.5-1
        labels = np.array(Image.open(bmp_file), dtype=np.uint8)
        h,w,_ = image.shape
        n_class = 12
        mask = np.zeros((h,w,n_class),dtype=np.float32)
        for i in range(n_class):
            one_hot[labels==i,i] = 1
        return map, image, mask
    [mask, image, label] = tf.py_function(load_data, [image_file], [tf.float32, tf.float32, tf.float32])

了解了独热编码的语义分割掩码的格式后，我们将使用TensorFlow2实现SPADE。

实现SPADE

实例归一化已在图像生成中非常流行，但是它往往会削弱分割蒙版的语义：假设输入图像仅包含一个分割标签；例如，假设整个图像都是天空，由于输入具有统一的值，因此输出在通过卷积层后也将具有统一的值。
实例归一化为每个通道计算跨维度(H, W)的平均值。因此，该通道的均值将是相同的统一值，并且用均值减去后的归一化激活将变为零。显然，语义已经丢失，这是一个十分极端的示例，但是逻辑是相似的，我们可以看到分割掩码随着其面积的增大而失去了其语义含义。
为了解决这个问题，SPADE规范化了由分割蒙版限定的局部区域，而不是整个蒙版。下图显示了SPADE的体系结构：
在批归一化中，计算跨维度(N, H, W)的通道的均值和标准差，对于SPADE来说是相同的。区别在于，每个通道的γ和β不再是标量值，而是二维向量，形状为(H, W)。换句话说，对于每个从语义分割图中获悉的激活，都有一个γ和β值。因此，归一化被不同地应用于不同的分割区域。这两个参数是通过使用两个卷积层来学习的，如下图所示：

SPADE不仅应用于网络输入阶段，同样还应用于内部层。现在，我们可以为使用TensorFlow2的自定义层实现SPADE。
将首先在__init__构造函数中定义卷积层，如下所示：

class SPADE(layers.Layer):
    def __init__(self, filters, epsilon=1e-5):
        super(SPADE, self).__init__()
        self.epsilon = epsilon
        self.conv = layers.Conv2D(128, 3, padding='same', activation='relu')
        self.conv_gamma = layers.Conv2D(filters, 3, padding='same')
        self.conv_beta = layers.Conv2D(filters, 3, padding='same')

接下来，获得激活图尺寸，以在以后调整大小时使用：

    def build(self, input_shape):
        self.resize_shape = input_shape[1:3]

最后，在call()中将层和操作连接在一起，如下所示：

    def call(self, input_tensor, raw_mask):
        mask = tf.image.resize(raw_mask, self.resize_shape, method='nearest')
        x = self.conv(mask)
        gamma = self.conv_gamma(x)
        beta = self.conv_beta(x)
        mean, var = tf.nn.moments(input_tensor, axes=(0,1,2), keepdims=True)
        std = tf.sqrt(var+self.epsilon)
        normalized = (input_tensor - mean) / std
        output = gamma * normalized + beta
        return output

接下来，我们将研究如何利用SPADE。

在残差网络中应用SPADE

最后，将研究如何将SPADE插入残差块中：

SPADE残差块中的基本构建块是SPADE-ReLU-Conv层。每个SPADE都接受两个输入——上一层的激活和语义分割图。
与标准残差块一样，有两个卷积ReLU层和一个跳跃路径。只要残差块之前和之后的通道数发生变化，就需要进行学习跳跃连接连接。发生这种情况时，前向路径中两个SPADE的输入处的激活图将具有不同的尺寸。但是，我们已经在SPADE块中内置了调整大小的功能。以下是用于SPADE残差块构建所需图层的代码：

class Resblock(layers.Layer):
    def __init__(self, filters):
        super(Resblock, self).__init__()
        self.filters = filters
    
    def build(self, input_shape):
        input_filter = input_shape[-1]
        self.spade_1 = SPADE(input_filter)
        self.spade_2 = SPADE(self.filters)
        self.conv_1 = layers.Conv2D(self.filters, 3, padding='same')
        self.conv_2 = layers.Conv2D(self.filters, 3, padding='same')
        self.learned_skip = False
        if self.filters != input_filter:
            self.learned_skip = True
            self.spade_3 = SPADE(input_filter)
            self.conv_3 = layers.Conv2D(self.filters, 3, padding='same')

最后，在call()中将各层连接起来：

    def call(self, input_tensor, mask):
        x = self.spade_1(input_tensor, mask)
        x = self.conv_1(tf.nn.leaky_relu(x, 0.2))
        x = self.spade_2(x, mask)
        x = self.conv_2(tf.nn.leaky_relu(x, 0.2))
        if self.learned_skip:
            skip = self.spade_3(input_tensor, mask)
            skip = self.conv_3(tf.nn.leaky_relu(skip, 0.2))
        else:
            skip = input_tensor
        output = skip + x
        return output