Mask R-CNN

1 概述

Mask R-CNN是ICCV 2017的best paper，彰显了机器学习计算机视觉领域在2017年的最新成果。在机器学习2017年的最新发展中，单任务的网络结构已经逐渐不再引人瞩目，取而代之的是集成，复杂，一石多鸟的多任务网络模型。Mask R-CNN就是典型的代表。在实例分割Mask R-CNN框架中，其主要特点是：

实例分割不仅要正确的找到图像中的objects，还要对其精确的分割。所以Instance Segmentation可以看做object dection和semantic segmentation的结合。
对于Faster RCNN的每个Proposal Box都要使用FCN进行语义分割，分割任务与定位、分类任务是同时进行的。
引入了RoI Align代替Faster RCNN中的RoI Pooling。因为RoI Pooling并不是按照像素一一对齐的（pixel-to-pixel alignment），也许这对bbox的影响不是很大，但对于mask的精度却有很大影响。使用RoI Align后mask的精度从10%显著提高到50%
引入语义分割分支，实现了mask和class预测的关系的解耦，mask分支只做语义分割，类型预测的任务交给另一个分支。

2 问题引入

问题1：从输入图上的RoI到特征图上的RoI feature，RoI Pooling是直接通过四舍五入取整得到的结果。这样会带来什么坏处呢？就是RoI Pooling过后的得到的输出可能和原图像上的RoI对不上，如下图所示，右图中蓝色部分表示包含了轿车主体的的信息的方格，RoI Pooling Layer的四舍五入取整操作导致其进行了偏移。
问题2：再将每个RoI对应的特征转化为固定大小的维度时，又采用了取整操作。在这里举例讲解一下RoI Pooling的操作

这种取整操作(在Mask R-CNN中被称为quantization)对RoI分类影响不大，可是对逐像素的预测目标是有害的，因为对每个RoI取得的特征并没有与RoI对齐。因此，Mask R-CNN对RoI Pooling做了改进并提出了RoI Align。

3. 框架解析

3.1 实例分割 vs 语义分割

观察图中的c和d图，c图是对a图进行语义分割的结果，d图是对a图进行实例分割的结果。两者最大的区别就是图中的"cube对象"，在语义分割中给了它们相同的颜色，而在实例分割中却给了不同的颜色。即实例分割需要在语义分割的基础上对同类物体进行更精细的分割

3.2 算法框架

3.2.1 Mask R-CNN算法步骤

输入一幅你想处理的图片，然后进行对应的预处理操作，或者预处理后的图片；
将其输入到一个预训练好的神经网络中（ResNeXt等）获得对应的feature map；
对这个feature map中的每一点设定预定个的ROI，从而获得多个候选ROI；
将这些候选的ROI送入RPN网络进行二值分类（前景或背景）和BB回归，过滤掉一部分候选的ROI；
对这些剩下的ROI进行ROIAlign操作（即先将原图和feature map的pixel对应起来，然后将feature map和固定的feature对应起来）；
对这些ROI进行分类（N类别分类）、BB回归和MASK生成（在每一个ROI里面进行FCN操作）

其中：

在Mask R-CNN中的RoI Align之后有一个"head"部分，主要作用是将RoI Align的输出维度扩大，这样在预测Mask时会更加精确。
在Mask Branch的训练环节，作者没有采用FCN式的SoftmaxLoss，反而是输出了K个Mask预测图(为每一个类都输出一张)，并采用average binary cross-entropy loss训练，当然在训练Mask branch的时候，输出的K个特征图中，也只是对应ground truth类别的那一个特征图对Mask loss有贡献。

3.2.2 架构分解

我将Mask R-CNN分解为如下的3个模块，Faster-rcnn、ROIAlign和FCN。

ROI Pooling

如图所示，为了得到固定大小（7X7）的feature map，我们需要做两次量化操作：1）图像坐标 — feature map坐标，2）feature map坐标 — ROI feature坐标。我们来说一下具体的细节，如图我们输入的是一张800x800的图像，在图像中有两个目标（猫和狗），狗的BB大小为665x665，经过VGG16网络后，我们可以获得对应的feature map，如果我们对卷积层进行Padding操作，我们的图片经过卷积层后保持原来的大小，但是由于池化层的存在，我们最终获得feature map 会比原图缩小一定的比例，这和Pooling层的个数和大小有关。在该VGG16中，我们使用了5个池化操作，每个池化操作都是2Pooling，因此我们最终获得feature map的大小为800/32 x 800/32 = 25x25（是整数），但是将狗的BB对应到feature map上面，我们得到的结果是665/32 x 665/32 = 20.78 x 20.78，结果是浮点数，含有小数，但是我们的像素值可没有小数，那么作者就对其进行了量化操作（即取整操作），即其结果变为20 x 20，在这里引入了第一次的量化误差；然而我们的feature map中有不同大小的ROI，但是我们后面的网络却要求我们有固定的输入，因此，我们需要将不同大小的ROI转化为固定的ROI feature，在这里使用的是7x7的ROI feature，那么我们需要将20 x 20的ROI映射成7 x 7的ROI feature，其结果是 20 /7 x 20/7 = 2.86 x 2.86，同样是浮点数，含有小数点，我们采取同样的操作对其进行取整吧，在这里引入了第二次量化误差。其实，这里引入的误差会导致图像中的像素和特征中的像素的偏差，即将feature空间的ROI对应到原图上面会出现很大的偏差。原因如下：比如用我们第二次引入的误差来分析，本来是2,86，我们将其量化为2，这期间引入了0.86的误差，看起来是一个很小的误差呀，但是你要记得这是在feature空间，我们的feature空间和图像空间是有比例关系的，在这里是1:32，那么对应到原图上面的差距就是0.86 x 32 = 27.52。这个差距不小吧，这还是仅仅考虑了第二次的量化误差。这会大大影响整个检测算法的性能，因此是一个严重的问题。
ROI Align

如图所示，为了得到为了得到固定大小（7X7）的feature map，ROIAlign技术并没有使用量化操作，即我们不想引入量化误差，比如665 / 32 = 20.78，我们就用20.78，不用什么20来替代它，比如20.78 / 7 = 2.97，我们就用2.97，而不用2来代替它。这就是ROIAlign的初衷。那么我们如何处理这些浮点数呢？
我们的解决思路是使用“双线性插值”算法。双线性插值是一种比较好的图像缩放算法，它充分的利用了原图中虚拟点（比如20.56这个浮点数，像素位置都是整数值，没有浮点值）四周的四个真实存在的像素值来共同决定目标图中的一个像素值，即可以将20.56这个虚拟的位置点对应的像素值估计出来。如下图所示，蓝色的虚线框表示卷积后获得的feature map，黑色实线框表示ROI feature，最后需要输出的大小是2x2，那么我们就利用双线性插值来估计这些蓝点（虚拟坐标点，又称双线性插值的网格点）处所对应的像素值，最后得到相应的输出。这些蓝点是2x2Cell中的随机采样的普通点，作者指出，这些采样点的个数和位置不会对性能产生很大的影响，你也可以用其它的方法获得。然后在每一个橘红色的区域里面进行max pooling或者average pooling操作，获得最终2x2的输出结果。我们的整个过程中没有用到量化操作，没有引入误差，即原图中的像素和feature map中的像素是完全对齐的，没有偏差，这不仅会提高检测的精度，同时也会有利于实例分割。
FCN
FCN算法是一个经典的语义分割算法，可以对图片中的目标进行准确的分割。其总体架构如下图所示，它是一个端到端的网络，主要的模快包括卷积和去卷积，即先对图像进行卷积和池化，使其feature map的大小不断减小；然后进行反卷积操作，即进行插值操作，不断的增大其feature map，最后对每一个像素值进行分类。从而实现对输入图像的准确分割。
LOSS计算与分析

在上式中，Lbox和Lmask都是对positive RoI才会起作用的。
在Mask R-CNN中，相较于Faster R-CNN还有些略微的调整，比如positive RoI被定义成了与Ground truth的IoU大于0.5的(Faster R-CNN中是0.7)。