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안개영상의 의미론적 분할 및 안개제거를 위한 심층 멀티태스크 네트워크
Deep Multi-task Network for Simultaneous Hazy Image Semantic Segmentation and Dehazing 원문보기

멀티미디어학회논문지 = Journal of Korea Multimedia Society, v.22 no.9, 2019년, pp.1000 - 1010  

송태용 (School of Electrical Electronic Engineering, Yonsei University) ,  장현성 (EO) ,  하남구 (EO) ,  연윤모 (EO) ,  권구용 (EO) ,  손광훈 (School of Electrical Electronic Engineering, Yonsei University)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Image semantic segmentation and dehazing are key tasks in the computer vision. In recent years, researches in both tasks have achieved substantial improvements in performance with the development of Convolutional Neural Network (CNN). However, most of the previous works for semantic segmentation ass...

주제어

표/그림 (7)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이와 같은 이유로 안개제거기술 또한 컴퓨터 비전에서 활발히 연구되어 온 기술이다. 단일 영상 안개제거 기술은 하나의 입력 영상으로부터 Clean 영상을 얻는 것을 목표로 한다. 이는 단일 영상에 대해 다수의 Clean 영상의 추정이 가능한 ill-posed 문제이다.
  • 멀티태스크 학습은 여러 개의 다양한 작업을 함께 학습함으로써 단일 학습 대비 두 작업 모두에서 향상된 결과를 얻는 것을 목표로 한다. 멀티태스크 학습에는 두 작업이 물리적, 수학적으로 관련이 있는 경우도 있지만 [18, 19], 비교적 약한 연관성을 지닌 경우도 있다 [20, 21].
  • 본 논문에서는 단일 안개 영상(I)을 네트워크의 입력으로 하여 영상의 의미론적 분할 결과(M)와 안개제거 영상(J)을 출력으로써 얻는 것을 목표로 한다. 이를 위해 두 가지 작업을 동시에 수행하는 멀티태스크 네트워크를 설계하였다.
  • 본 논문에서는 의미론적 분할과 안개제거가 함께 학습 되었을 때 서로 도움을 줄 수 있다는 가정에 착안하여, 하나의 단일 네트워크로 두 가지를 동시에 수행하는 멀티태스크(Multi-task, 다중 작업) 심층 네트워크를 제안한다. 문헌 조사에 따르면 본 연구는 의미론적 분할과 안개제거를 동시에 수행한 최초의 연구이다.
  • 본 논문에서는 컴퓨터 비전의 주요 분야인 영상의 의미론적 분할 기술이 안개가 낀 환경에서 획득된 영상에서 성능이 저하되는 문제점과, 장면의 의미론적 정보 없이 이루어지는 기존 안개제거 연구의 한계점에 대해 시사하였다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 영상의 의미론적 분할과 안개제거를 동시에 수행하는 딥 러닝 기반 멀티태스크 학습 프레임워크를 제안하였다.
  • 위 논문들은 공통적으로 서로 다른 두 개 이상의 작업이 서로 연관성이 있으며, 따라서 네트워크가 두 작업을 수행하기 위해 학습되는 과정에서 파라미터 공유(Parameter Sharing)을 통해 향상된 성능을 낼 수 있음을 제시하였다. 본 연구에서는 비교적 서로 다른 두 작업을 동시에 수행하는 네트워크에서의 파라미터 공유를 통한 성능 향상을 제시하였다.
  • 본 논문에서는 컴퓨터 비전의 주요 분야인 영상의 의미론적 분할 기술이 안개가 낀 환경에서 획득된 영상에서 성능이 저하되는 문제점과, 장면의 의미론적 정보 없이 이루어지는 기존 안개제거 연구의 한계점에 대해 시사하였다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 영상의 의미론적 분할과 안개제거를 동시에 수행하는 딥 러닝 기반 멀티태스크 학습 프레임워크를 제안하였다. 이는 안개제거 과정에서의 영상 세부정보가 의미론적 분할에 도움을 주고, 의미론적 분할의 물체에 대한 정보가 안개제거의 색상복원에 도움을 줄 수 있다는 것을 가정한다.

가설 설정

  • 그러나 이러한 기존 기술은 입력 영상이 열화 없이 촬영된 (Fig. 1(a)) 것을 가정하고 안개 등 날씨의 영향으로 인한 손상이 있는 경우(Fig. 1(d))를 별도로 가정하지 않으며, 따라서 영상의 왜곡 또는 손상이 있을 경우 큰 성능 저하를 보인다 (Fig.
  • 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 영상의 의미론적 분할과 안개제거를 동시에 수행하는 딥 러닝 기반 멀티태스크 학습 프레임워크를 제안하였다. 이는 안개제거 과정에서의 영상 세부정보가 의미론적 분할에 도움을 주고, 의미론적 분할의 물체에 대한 정보가 안개제거의 색상복원에 도움을 줄 수 있다는 것을 가정한다. 본 연구의 결과로 각 작업을 따로 학습했을 때보다 동시에 학습했을 때 성능이 향상되는 것을 확인하였으며, 기존의 각 분야 연구 결과보다 향상된 성능을 내는 것을 확인하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
영상의 의미론적 분할은 무엇인가? 영상의 의미론적 분할은 영상에서 같은 클래스(Class)의 물체에 해당하는 픽셀끼리 나누는 작업으로, 자율주행 등 산업의 각종 분야의 자동화를 위해 필수적인 연구인 영상인식의 한 분야이다. 최근GPU 등 하드웨어의 발달과 다양의 데이터 셋에 기반을 둔 딥 러닝 방식들이 FCN[9] 을 시작으로 개발되어 왔다.
멀티태스크 학습의 목표는 무엇인가? 멀티태스크 학습은 여러 개의 다양한 작업을 함께 학습함으로써 단일 학습 대비 두 작업 모두에서 향상된 결과를 얻는 것을 목표로 한다. 멀티태스크 학습에는 두 작업이 물리적, 수학적으로 관련이 있는 경우도 있지만 [18,19], 비교적 약한 연관성을 지닌 경우도 있다 [20,21].
제안한 네트워크에서 의미론적 분할과 안개제거 모두 다량의 데이터를 사용한 지도학습을 통해 학습될 때 필요한 구성은? 제안한 네트워크는 의미론적 분할과 안개제거 모두 다량의 데이터를 사용한 지도학습(Supervised Learning)을 통해 학습된다. 따라서 학습을 위해 입력 안개 영상과 그에 해당하는 Clean영상, 영상 분할에 대한 Ground-truth 쌍의 학습 데이터 구성이 필요하다. 이를 위해 Ground-truth 분할 영상이 제공되는 Clean 영상에 인공적인 안개를 합성한다.
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참고문헌 (28)

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  5. Q. Zhu, J. Mai, and L. Shao, "A Fast Single Image Haze Removal Algorithm Using Color Attenuation Prior," IEEE Transactions on Image Processing, Vol. 24, No. 11, pp. 3522-3533, 2015. 

  6. B. Cai, X. Xu, K. Jia, C. Qing, and D. Tao, "Dehazenet: An End-to-end System for Single Image Haze Removal," IEEE Transactions on Image Processing, Vol. 25, No. 11, pp. 5187-5198, 2016. 

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  20. X. Zhang, H. Dong, Z. Hu, W. Lai, F. Wang, and M. Yang, "Gated Fusion Network for Joint Image Deblurring and Super-resolution," British Machine Vision Conference, 2018. 

  21. L. Pan, Y. Dai, M. Liu, and F. Porikli, "Simultaneous Stereo Video Deblurring and Scene Flow Estimation," Proceedings of the IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, pp. 4382-4391, 2017. 

  22. K. Simonyan and A. Zisserman, "Very Deep Convolutional Networks for Large-scale Image Recognition," Proceeding of International Conference on Learning Representations, 2015. 

  23. M. Cordts, M. Omran, S. Ramos, T. Rehfeld, M. Enzweiler, R. Benenson, et al., "The Cityscapes Dataset for Semantic Urban Scene Understanding," Proceedings of the IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, pp. 3213-3223, 2016. 

  24. M. Abadi, P. Barham, J. Chen, Z. Chen, A. Davis, J, Dean et al., "Tensorflow: A System for Large-scale Machine Learning," 12th {USENIX} Symposium on Operating Systems Design and Implementation ({OSDI} 16), pp. 265-283, 2016. 

  25. D. Kingma and J. Ba, "Adam: A Method for Stochastic Optimization," Proceeding of International Conference on Learning Representations, 2015. 

  26. B. Lee and S. Kwon, "Automatic Classification System of Tablets with Various Colors and Shapes," Journal of Korea Multimedia Society, Vol. 21, No. 6, pp. 659-666, 2018. 

  27. Y. Jeong, I. Ansari, J. Shim, and J. Lee, "A Car Plate Area Detection System Using Deep Convolution Neural Network," Journal of Korea Multimedia Society, Vol. 20, No. 8, pp. 1166-1174, 2017. 

  28. H. Lee, J. Sa, H. Shin, Y. Chung, D. Park, and H. Kim, "Separation of Occluding Pigs using Deep Learning-based Image Processing Techniques," Journal of Korea Multimedia Society, Vol. 22, No. 2, pp 136-145, 2019. 

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