基于可变形卷积的手绘图像检索①

王文超

(中国石油大学(华东)计算机科学与技术学院,青岛 266580)

手绘对于人类而言是非常直观且通用的工具,是人类的本能,从原始时期就被用来描述人类所看到的现实世界.近年来,随着智能手机、平板电脑、手绘板等移动设备的普及,手绘图像的获取更加容易,使得手绘图像检索的研究变得日益繁盛和重要起来.手绘图像检索是一种通过手绘图像检索自然彩图的图像检索技术,是以图搜图技术的一种.与文本标签相比,手绘图像所包含的信息更加丰富,表达更加生动形象;与自然图像相比,手绘图像钩玄提要,只保留了物体最基本的骨架轮廓信息,而且手绘允许人们随心所欲地表达想要描述的物体.由于手绘检索独特的优势,目前已在图片检索、在线商城、安防等领域得到了足够的重视与应用.比如在线商城根据用户通过手绘图像推荐相似商品,公安人员通过素描画像进行嫌疑犯定位等等.近期流行的“你画我猜”等应用背后也是手绘识别技术的体现.

1 相关工作

手绘图像检索相关研究可追溯至自上世纪90年代,早期工作如GF-HOG[1]、HELO[2]、RST-HELO[3]等多通过设计手工特征对线条轮廓进行特征表达,但由于手绘图像具有抽象性、随意性等特点并未取得良好效果.随着深度学习的兴起,基于神经网络的方法开始逐渐奏效.2014年,Yu Qian 针对手绘图像稀疏性的特点,设计了第一个适用于手绘图像的卷积神经网络Sketch-a-Net[4],作者利用手绘图像绘制过程中线条的时序顺序,将手绘图分为5种不同层次的表达并据此构建了5分支网络,最后通过贝叶斯融合得到最终特征描述.作者将Sketch-a-Net 用于手绘图像分类并取得了良好效果.2016年,新加坡南洋理工大学[5]针对自然图像背静杂乱的特点,引入目标检测中的RPN (Region Proposal Network)网络对于图像中可能存在的目标予以定位,并将手绘图像与RPN网络生成的每个Region Proposal进行相似度比较以此实现实例检索.其网络结构延续了Sketch-a-Net的设计思路,然而此方法由于操作繁琐检索效率稍显不足.同年,北京邮电大学提出一种基于孪生网络(Siamese Networks)的手绘检索方法[6],通过选取正负样本对的形式使网络对图像相似性进行建模.基础网络结构则为模仿Sketch-a-Net 搭建的小型卷积网络,然而由于网络深度较浅并未取得良好效果.2018年,Bui Tu在Siamese Networks 基础上采用了Triplet Networks进行手绘图像检索[7],该方法每次选取三个样本:一张作为参照的手绘图像,一张与手绘图像同类别的自然图像作为正样本,另一张不同类别的作为负样本,通过Triplet loss进行网络训练.作者通过实验发现网络结构采用AlexNet[8]、GoogLeNet[9]等在ImageNet上训练过的网络比采用Sketch-a-Net 能够取得更好的效果.类似的,Huang F和Seddati O 等人的工作[10,11]也得出了类似的结论.文献[10]采用Alexnet作为基础网络,而文献[11]提出的Quadruplet Networks 则采用了Resnet-18[12].

通过以上介绍可知,Sketch-a-Net 虽然针对手绘图像特点设计,但是一方面其5分支结构过于复杂不易操作,另一方面由于网络深度较浅,特征表达能力不足,直接将其用于手绘检索并未取得理想效果.另一方面,迁移学习在图像分类、目标检测、目标跟踪等诸多计算机视觉任务中均体现出明显优势,采用在自然图像数据集ImageNet上训练得到的VGG[13]、GoogLeNet等作为基础网络结构并针对特定任务特定数据进行微调,可以有效减少网络训练难度并带来性能提升.因此手绘图像检索近期工作也逐渐倾向于迁移学习而忽略了对手绘图像特点的探索.

手绘图像与自然图像有着截然不同的特性.自然图像颜色、背景以及纹理细节信息丰富,而手绘图像仅由简单的线条轮廓组成,因此,设计适合手绘图像稀疏性特点的卷积神经网络结构仍然是有必要的.为此,本文提出一种基于可变形卷积的手绘检索方法,打破标准卷积只能在矩形感受野内均匀采样的特点,通过学习卷积核的位置偏移量使得网络关注到手绘图像轮廓区域,以获得更加鲁棒的特征表达.

2 基于可变形卷积的手绘图像检索

该部分将从消除域差异、网络结构与训练、特征表达与相似度度量等方面对本文提出的基于可变形卷积的手绘图像检索方法进行详细描述.

2.1 消除域差异

实现手绘图像的跨域检索首先要做的就是消除手绘域与自然图像域之间的域差异.本文沿用现有工作最常采用的思路,将自然图像通过边缘检测转化为类手绘图,即边缘图,以此减小域间差异实现跨域检索.与现有工作最常采用的Canny边缘检测相比,本文采用的Berkerly边缘检测算法[14]通过训练分类器得到每一个像素属于边缘的概率,通过设置恰当的阈值,能够最大程度上保留目标的主体轮廓而消除不必要的细节信息干扰.图1为Canny算子与Berkerly算法效果对比,第1行为原始图像,第2行为Canny边缘检测效果图,第3行为本文采用Berkerly边缘检测效果图.

2.2 可变形卷积

卷积操作是图像处理最基础也是最常用的操作之一.以卷积作为主要操作的卷积神经网络同样在计算机视觉领域大放异彩.每个卷积核都是一个滤波模板,通过卷积核与图像在特定邻域内做卷积操作可以检测图像是否具备某些特征.以3×3尺寸的卷积核为例,对于输入图像x,卷积操作在中心位置pcenter处的响应y(pcenter)可定义为:

其中,F表示3×3卷积核定义的感受野位置,w表示卷积核采样权重.

图1 边检检测效果对比

对于自然图像而言,由于其细节信息丰富,任意位置处的像素信息均有可能对图片内容理解做出贡献,因此在使用标准卷积进行均匀采样的情况下能够取得良好效果.而使用标准卷积处理手绘图像时,卷积核感受野内的背景像素几乎对手绘图像识别没有帮助,因此如果能够打破规格化的矩形感受野,使得卷积操作能够更偏重于提供有用信息的线条像素而忽略部分背景像素,将更有助于手绘图像的特征学习.为此,本文将可变形卷积引入手绘图像检索.

在可变形卷积中,卷积核采样位置不再由卷积核尺寸限制,而是通过学习得到,即式(2)中的Offset.引入可变形卷积后,卷积操作可定义为:

可变形卷积由Dai Jifeng 首次提出并用于目标检测任务[15],通过引入可变形卷积可以使网络适应图片中不同尺寸的目标.文献[15]仅对输入特征图的每一个位置学习一对偏移量,而各通道之间共享学习到的偏移量.然而,不同通道代表的特征一般并不相同,因此本文充分考虑了通道之间的差异性,设计了更为灵活多样的可变形卷积操作,具体如图2.

如图2所示,给定输入图像或卷积网络中间层的特征图,记其尺寸大小为W×H×C,其中W表示宽度,H表示高度,C表示通道数.本文方法需要对输入特征图每个通道的每个位置学习x和y两个方向的偏移量,因此需要学习2WHC个参数.该过程可通过2C个3×3卷积核对输入特征图进行卷积操作实现,得到的偏移量特征图尺寸为W×H×2C.值得注意的是,网络学习到的偏移量(即采样位置)并不要求是整数,而且极有可能是浮点数,因此采样位置的像素值需要通过对输入特征图进行双线性插值得到.

图2 可变形卷积示意图

本文采用的可变形卷积模块可以替换标准卷积网络中的任意卷积层而不影响网络的整体结构,具有简单灵活且高效的特点.

2.3 网络结构

如图3所示,本文采用VGG-16网络结构作为基准网络结构,VGG网络由于其优异的效果与可拓展性现已成为图像检索任务最常选用的网络结构之一.需要说明的是,本文引入的可变形卷积模块可与任意卷积神经网络结合,并不依赖于某个具体网络结构.如图所示,本文将VGG-16网络每个block的第一层卷积层由原来的标准卷积替换为可变形卷积,在实验部分将会对该替换选择进行分析.

2.4 网络训练

由于手绘图像数量较少,本文采用类手绘图(边缘图)进行网络训练.将数据集按照1:1的比例划分训练集与测试集,以ImageNet上预训练权重为初始化网络参数,通过类别交叉熵损失进行迁移学习.一方面,与自然图像相比边缘图的数量仍然较少,通过迁移学习而不是从头训练会取得更好的效果;另一方面,本文引入的可变形卷积模块在初始状态时偏置为零,并不会改变网络状态,因此可以通过预训练权重进行微调.

图3 整体网络框架图

2.5 特征表达与相似度度量

与卷积层相比,全连接层往往包含更多的语义信息,因此本文提取加入可变形卷积的VGG-16网络的第二个全连接层特征作为输入图像的特征向量.将自然图像通过边缘检测算法转化为边缘图后,手绘图像与边缘图可以共享一个网络进行特征提取.

本文采用欧式距离衡量手绘图像特征si与自然图像特征ni之间的相似度.基于特征向量距离的远近,相似度公式定义为:

其中,d(,)表示两个向量的欧式距离,k表示检索结果总数,S(,)越大表示图像相似度越高.

2.6 检索算法流程

本文基于可变形卷积的手绘检索算法描述如算法1.

算法1.基于可变形卷积的手绘图像检索算法1)通过Berkerly边缘检测算法将数据库中的自然图像转化为二值化边缘图2)将所有边缘图输入基于可变形卷积的VGG网络并提取全连接层特征作为特征描述子3)将给定的手绘图像输入基于可变形卷积的VGG网络并提取全连接层特征作为特征描述子4)通过欧氏距离进行特征相似度度量5)返回检索结果

3 实验分析

3.1 基准数据集

本文选用手绘图像检索常用的数据集Flickr15k为基准数据集进行实验验证与对比.Flickr15k 同时包含手绘图像和与之对应的自然彩图.其中手绘图像329幅,分别属于33个类别,由10名非专业手绘创作者绘制而成.自然图像共14 460幅,分属60个类别.

3.2 评价标准

本文采用图像检索任务最常用的mAP (mean Average Precision)指标作为主要评价标准,mAP值越高代表检索效果越好.

3.3 实验环境

本文所有实验均在以下环境配置中进行:Intel Xeon CPU E5处理器,一块GeForce GTX Titan X显卡,以TensorFlow为后端的Keras 深度学习框架.

3.4 可变形卷积替换选择

为验证可变形卷积对检索精度的影响,本文通过将原始VGG-16网络不同卷积层由原来的标准卷积替换为可变形卷积并进行多次对比试验,实验结果记录如表1所示.其中BxCy代表第x个block 中的第y个卷积层.对勾表示该层采用可变形卷积.

实验表明,将VGG-16 中每个block的第一个卷积层替换为可变形卷积,或者将第二个卷积层替换为可变形卷积,均会对检索精度带来不同程度的提升,说明本文引入的可变形卷积是有效的.但是将每个block 前两层均替换为可变形卷积时,效果反而不如仅替换一层,原因可能是连续堆叠多层可变形卷积使得引入的偏移量参数相互影响,不易优化所致.因此本文在VGG-16 每个block的第一个卷积层使用可变形卷积.

表1 可变形卷积替换选择

3.5 实验对比

本文选取经典手工特征描述子HOG、GF-HOG、RST-HELO 等方法,以及采用深度特征的Siamese CNN、Triplet CNN、Quadruplet CNN 等方法与本文提出的算法进行对比,不同方法在Flickr15k上的mAP表2所示.

通过表2结果可知,本文提出的基于可变形卷积的手绘检索方法是有效的.其得到的特征描述子平均检索精度远超手工特征描述子30%～40%,而且与同为深度特征的其他方法相比平均检索精度也能有较大幅的提升.

图4为采用本文基于可变形卷积的手绘检索方法对于Flickr15k数据集的部分检索结果.左侧为输入的手绘图像,右侧为从自然图像数据库中检索到的相似度top-8 排名的图像.可以看出本文方法能够取得较为理想的检索效果.

表2 Flickr15k上各方法mAP 对比

图4 本文方法检索结果

4 总结

本文分析了针对手绘图像稀疏性等特点设计神经网络结构的必要性,提出基于可变形卷积的手绘检索方法,使得卷积神经网络更加关注手绘图像轮廓信息以获取更鲁棒的特征表达.本文以VGG-16为基础网络,通过在Flickr15k数据集上的实验验证了引入可变形卷积的效果增益,并对可变形卷积的添加位置进行了讨论.另外,本文方法具有良好的拓展性和迁移性,可变形卷积模块可以添加到任意卷积神经网络,该手绘检索流程也同样适用于其他手绘图像数据库的检索.