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[국내논문] 딥-러닝을 활용한 안드로이드 플랫폼에서의 이미지 시맨틱 분할 구현
Implementation of Image Semantic Segmentation on Android Device using Deep Learning 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.19 no.2, 2020년, pp.88 - 91  

이용환 (원광대학교 디지털콘텐츠공학과 융복합창의연구소) ,  김영섭 (단국대학교 전자전기공학부)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Image segmentation is the task of partitioning an image into multiple sets of pixels based on some characteristics. The objective is to simplify the image into a representation that is more meaningful and easier to analyze. In this paper, we apply deep-learning to pre-train the learning model, and i...

주제어

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제안 방법

  •  본 논문에서는 Tensorflow 기반의 이미지 시맨틱 분할 알고리즘을 구현하고 안드로이드 디바이스에서 실시간 분할 처리 동작을 실험적으로 검증하였다. 구현 알고리즘은 기존의 오픈소스로 제공되는 DeepLab-v3+ 를 기초하여 Xception 분리 컨볼루션 모델에서 처리속도 개선을 위해 stride를 제거하고 확장된 콘볼루션 필터를 적용하여 기존 알고리즘을 변형하여 구현하였다.
  •  본 논문에서는 Tensorflow 기반의 이미지 시맨틱 분할 알고리즘을 구현하고 안드로이드 디바이스에서 실시간 분할 처리 동작을 실험적으로 검증하였다. 구현 알고리즘은 기존의 오픈소스로 제공되는 DeepLab-v3+ 를 기초하여 Xception 분리 컨볼루션 모델에서 처리속도 개선을 위해 stride를 제거하고 확장된 콘볼루션 필터를 적용하여 기존 알고리즘을 변형하여 구현하였다. 또한 얼굴 인식에서 공용적으로 널리 사용되는 데이터베이스를 기초하여 개별 학습 모델을 구축하여 적용하였다.
  • 구현 알고리즘은 기존의 오픈소스로 제공되는 DeepLab-v3+ 를 기초하여 Xception 분리 컨볼루션 모델에서 처리속도 개선을 위해 stride를 제거하고 확장된 콘볼루션 필터를 적용하여 기존 알고리즘을 변형하여 구현하였다. 또한 얼굴 인식에서 공용적으로 널리 사용되는 데이터베이스를 기초하여 개별 학습 모델을 구축하여 적용하였다. 구현 알고리즘은 삼성 갤럭시 노트10에서 실험적으로 동작하였으며, 실시간 처리 동작에 충분함을 실험적으로 검증하였다.
  • 본 논문에서는 딥-러닝을 적용하여 이미지 학습 모델을 선행적으로 학습하고, 안드로이드 디바이스에서 입력되는 스트림에 대해 프레임을 각출하여 실시간으로 이미지 분할을 수행하는 알고리즘을 설계하고 이를 구현한다. 실시간 처리를 위해 실행시간 측면을 고려한 분할 성공률을 실험적으로 측정하고 이를 평가한다.
  • DeepLab-v3에서의 8x를 v3+ 에서는 변형된 Xception를 인코더에 적용하여 분리된 컨볼루션으로 변경하고 4x를 2단계로 나눠 적용한다. 본 연구에서는 이러한 Xception 모델을 8x를 확대한 2단계 분리 컨볼루션 변화를 적용하고 마지막 블록에서 stride를 제거하여 변경된 구조로 설계 구현한다. 디코더의 저급의 특징맵에서는 1x1 Conv를 그대로 반영하며, 실험을 통해 채널의 개수가 48일 때 가장 좋은 결과를 내어, 채널 수를 48로 사용한다.
  • 본 절에서는 Tensorflow에서 구현된 가장 성능이 우수한 최신 시맨틱 이미지 분할 모델인 DeepLab-v3+[9] 의 오픈 소스를 기반으로 개별화된 학습 모델을 구축하고 컨볼류션 필터를 일부 수정하여 안드로이드 플랫폼에서 실시간 동작하도록 개선한다.

대상 데이터

  • 얼굴 인식 연구에서 공용으로 많이 활용되는 Labelled Faces in the World (LFW) dataset을 기초하여 얼굴 이미지 학습 모델을 구축한다[10]. LFW은 얼굴 검증 알고리즘의 성능 평가에서 많이 활용되는 데이터셋으로, 제한 없는 환경에서 얼굴 인식을 실험하기 위해 13,000여 개의 이미지와 이와 관련된 레이블을 포함하며, 인터넷에서 수집되었다. labelImg를 통해 각각의 이미지와 레이블에 대한 검토를 데이터 정제화를 수행하였다.

데이터처리

  • 정답 레이블은 각 객체의 클래스 레이블과 경계 영역 표시 사각형을 쌍으로 구성되며, 이를 주석 (Annotation)이라 한다. 이미지에 주석을 할당하기 위해 파이썬과 Pyqt 기반의 labelImg 툴을 사용하여, 제공되는 이미지 데이터베이스와 레이블을 검증한다. 얼굴 인식 연구에서 공용으로 많이 활용되는 Labelled Faces in the World (LFW) dataset을 기초하여 얼굴 이미지 학습 모델을 구축한다[10].

이론/모형

  • 과거에 일반적으로 사용되었던 이미지 분할 알고리즘들은 사용자의 개입, 전문적 지식이 요구되어, 딥-러닝 기반 기술보다 효율성에서 떨어지는 단점이 있었다. 여기에 해당하는 부류는 주로 임계값, K-평균 군집화, 히스토그램 기반 이미지 분할, 엣지 검출 등의 알고리즘을 활용하였다[3, 7]. 임계값 활용 기술은 이미지를 전경과 배경으로 나누고 지정된 임계값을 기준으로 픽셀을 두 레벨 중 하나로 분리하여 객체를 분리한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
딥-러닝 모델을 위해 GPU를 사용하는 이유는? 이미지 처리에 사용되는 주요 딥러닝 알고리즘은 CNN (Convolutional Neural Network), AlexNet, VCG, Inception 및 ResNet와 같은 특정 CNN 프레임워크가 있다. 컴퓨터 비전을 위한 딥-러닝 모델은 일반적으로 처리 시간을 줄이기 위해 특수 그래픽 처리 장치인 GPU에서 훈련 및 실행을 처리한다.
딥-러닝은 어떻게 학습을 하는가 딥-러닝은 이미지를 구성하는 객체 클래스를 예측하기 위해 시각적 입력, 즉 다수의 이미지 또는 비디오 스트림에서 패턴을 학습한다. 이미지 처리에 사용되는 주요 딥러닝 알고리즘은 CNN (Convolutional Neural Network), AlexNet, VCG, Inception 및 ResNet와 같은 특정 CNN 프레임워크가 있다.
이미지 분석 3가지 수준의 각각의 역할은 무엇인가? 일반적으로, 이미지 분석은 3가지 수준으로 구분된다. 첫번째는 이미지 분류로, 전체 이미지를 사람, 동물, 야외등 이미지 내에 존재한 객체에 초점을 맞춰 이미지를 구분한다. 두번째는 이미지의 객체 인식으로, 이미지 내 존재하는 객체를 감지하고, 객체 주위에 사각형을 표시하여 이미지 내의 위치까지도 구분한다. 세번째는 이미지 분할로, 이미지의 일부를 식별하고 해당 이미지에 포함된 객체를 세분화하여 이해시킨다. 이러한 이미지 분할은 컴퓨터 비전에서 중요한 역할을 차지하며, 시각적 입력을 단순화하기 위해 입력된 이미지를 세그먼트(Segment)로 나누는 작업을 포함하기 때문에, 객체 식별보다 복잡한 프로세스를 거친다.
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참고문헌 (10)

  1. Zhong-Qiu Zhao, Peng Zheng, Shou-tao Xu, Xindong Wu, "Object Detection with Deep Learning: A Review", IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems, 2019. 

  2. Li Liu, Wanli Ouyang, Xiaogang Wang, Paul Fieguth, Jie Chen, Xinwang Liu, Matti Peitikainen, "Deep Learning for Generic Object Detection:Asurvey", International Journal of Computer Vision, vol.128, pp.261-318, 2020. 

  3. Yang Peng Zhu, Peng Li, "Survey on the Image Segmentation Algorithms", Proceedings of the International Field Exploration and Developoment Conference, pp.475-488, 2017. 

  4. Liang-Chieh Chen, George Papandreou, Iasonas Kokkinos, Kevin Murphy, and Alan L. Yuille, "Semantic Image Segmentation with Deep Convolutional Nets and Fully Connected CRFs", Proceeding of ICLR, 2015. 

  5. Liang-Chieh Chen, George Papandreou, Iasonas Kokkinos, Kevin Murphy, and Alan L. Yuille, "Deeplab: Semantic Image Segmentation with Deep Convolutional Nets, Atrous Convolution, and Fully Connected CRFs", Computer Vision and Pattern Recognition, 2017. 

  6. Liang-Chieh Chen, George Papandreou, Florian Schroff, and Hartwig Adam, "Rethinking Atrous Convolution for Semantic Image Segmentation", arXiv:1706.05587, 2017. 

  7. Rahul Basak, Surya Chakraborty, Satarupa Biswas, "Image Segmentation Techniques: A Survey", Computer Science, 2018. 

  8. Liang-Chieh Chen, Yukun Zhu, George Papandreou, Florian Schroff, Hartwig Adam, "Encoder-Decoder with Atrous Separable Convolution for Semantic Image Segmentation", ECCV, 2018. 

  9. Website, https://github.com/tensorflow/models/tree/master/research/deeplab, available on 2020. 

  10. Website, https://www.kaggle.com/jessicali9530/lfw-dataset, available on 2020. 

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