CVPR2019-目标检测分割技术进展

    CVPR 2019 没有出现像Faster RCNN，YOLO这种开创性的工作，基于现有方案和框架的改进为主，技术进步着实有些缓慢，或许也代表方案逐步趋于成熟。

    本文重点介绍如下几个改进方法：GA-RPN    GIOU     FSAF     Mask Score RCNN

1. GA-RPN

    GA-RPN由港中文、商汤和亚马逊联合提出，COCO Challenge 2018 检测任务，在极高的 baseline 上涨了1个点。

    论文：Region Proposal by Guided Anchoring【paper】

    先来讲候选框生成，传统的Selective Search方法提取像素一致区域，改进的EdgeBoxes利用边缘特征闭合，可以认为具有这种通用特征的区域是最有可能存在目标的区域。

    这种传统方法的缺点是速度慢，很难整合到CNN网络，于是Fatser-RCNN通过暴力的 滑窗机制实现Candidate选取，也就是RPN，参考：https://blog.csdn.net/linolzhang/article/details/54344350

   候选框选取机制很大程度上代表了最终检测效果的好坏，无效候选框对应大量没有价值的负样本。

• 对于 one-stage 来讲，可以通过 focal loss 一定程度上解决采样不均衡的问题，但的确只是一定程度；
• 对于 two-stage方法来讲，RPN机制保证了比 one-stage 更好的效果，3×3的Anchor 包含了大量尺度、ratio不合理的样本，虽然按照1：3的比例做样本过滤，但通常基于随机策略或按照一定的简单规则，筛选能力有限。

    思想其实很简单，很多人都能想的到，理想的 Anchor 可以通过特征语义来辅助生成，也就是接下来要讲的 Guided Anchoring ，先看框架图（原文）：

    框架整体采用了特征金字塔，处理不同尺度的问题。右侧的 Anchor 生成过程（蓝色框），输入是一张特征图Fi，输出是调整后的特征图 Fi'。

     Anchor生成（对应红框）借鉴了Anchor-Free的思想，能生成任意尺寸的Candidate，改进的思路是 将Box生成过程分成两部分，中心点生成 和 尺寸生成，中心点对应1个 Channel 特征图（理解为显著性区域），尺寸对应2个Channel的特征图，实现两个不同度量维度的解耦。

     生成流程描述：

1）中心点生成

     特征图对应一个2分类结果，表示该点是否作为目标中心，如图所示：

• Center Region（绿色部分）是作为正样本，标识目标中心，可以理解为 RPN选择 对应 IOU>0.7 的情况；
• Outside Region（灰色部分）作为负样本，可以理解为 RPN选择 对应 IOU<0.3 的情况；
• Ignore Region（黄色部分）0.3

2）尺寸生成

     形状预测目标是得到对应中心的 w、h，传统直接预测的方法问题是w、h的尺度太高，通过将其映射到 [0,1]，可以有效降低回归搜索空间。

     通过下面的公式，实现从 dw、dh 到 w、h的映射，因此尺寸生成模块只需要预测 dw、dh 即可。

    训练过程中，最大化变化的 Anchor 与 GT 的重合度，通过 max IOU 作为训练目标。

3）特征调整

     由于可变的Anchor的问题，考虑根据Anchor大小适配不同尺度的特征（参考图1绿框），映射到不同的感受野，对应RPN采用的是 ROI Pooling，本文采用的是 变形Conv（不了解的可以自行搜索一下）。

     首先通过形状预测分支shape通过1*1 conv，获取offset field（参考图1绿框），然后根据该offset field进行3x3的 变形卷积得到调整后的特征图 Fi'。基于特征图 Fi' 进行分类和bounding box回归。

数据训练：

     定义多参数 Loss，其中 λ1、λ2 为调节参数。

     结果：

     

2. GIOU

     提出一种 Loss 度量方案，通过 IoU Loss 代替 L1 Smooth Loss，取得了不错的效果。

     论文：Generalized Intersection over Union: A Metric and A Loss for Bounding Box  Regression【paper】【github】

     

     上图给出了在L1和L2一致的情况下，对应IoU是不同的，什么意思呢？既然Box和Ground Truth之间的差异是用IoU来衡量，那 最好的办法就是直接用 IoU作为Loss。

     但是这里有两个问题，决定了IoU并不适合做Loss函数：

1. 当两个Box不重合时，IoU为0，也就是说两个box的距离远近其结果是一样的，无法通过梯度来优化；
2. IoU只能反映交并情况，无法衡量轴对齐，如下图在IoU相等的情况下，图一明显比后面收敛的更好。

     基于上面两个问题，在IoU的基础上做了扩展，提出了GIoU，公式：

     其中C是指AB的最小包围盒，因此GIoU的定义是 IoU - 包围盒空余部分占比。我们来看Loss定义：

     Loss = 1-GIoU = 1 - IoU + 包围盒空余部分占比 ，发现什么都没变，就加了一个包围盒的空余部分占比（记作Space），分析下这部分带来的变化：

1. 当两个Box不重合时，IoU=0，不起任何作用，两个Box离得越近，Space越小（对应上面Loss越小），也就是说Space起到了拉近Box的作用；
2. 当两个Box有交叠的时候，IoU开始起作用，从【没有交叉IoU=0】到【完全重叠IoU=1】，对应 Loss从1变为0，逐步收敛。那么这里Space的作用体现在哪儿呢？没错，加速轴对齐，对的越齐Space越小。

     

     上图说明了 GIoU带来的效果提升，GIoU是一种Trcik方案，可以与任何检测框架结合，具体可以参考原文。

3. FSAF

     来自CMU的一篇文章，提出了基于Single-Stage的特征层选择策略，在COCO上所有Single-Stage目标检测器中达到了SOT。

     论文：Feature Selective Anchor-Free Module for Single-Shot Object Detection 【paper】

     来看论文的关键点：Feature Selective & Anchor-Free，貌似都很老套，一个一个分析吧。

     所谓 Feature Selective 很早前就有方法做过尝试，通俗点的说，对于特征金字塔来讲，每个层的特征代表了不同尺度的Object，在对Object进行回归的时候，选择合适的Feature层，才能提升准确度。

     来看基本结构图：

     这是一个典型的Anchor-Free的结构图，通过Focal loss计算分类，通过IoU loss计算回归（前面已经讲过其优势）。结合前面的特征金字塔，这里面的关键在于argmin：

1. 在训练时，获取最小的loss对应的特征层，也就是和ground truth最接近的；
2. 在inference时，采用置信度最高的特征层对应的结果。

     

     位置和形状是分开预测的，这也是今年的一个主流，当然GA-RPN预测的归一化的WH参数应该比这个更好一些，【减少预测参数、参数归一化 理论上是一个提升点】。

• FSAF与Two-Stage框架结合：

     FSAF是一个子框架，可以集成于ssd、yolo等single-stage框架下，也可以与Faster RCNN等two-stage检测框架结合，来看一个基于 RetinaNet 的例子：

     

     基于金字塔结构，在原来Anchor-based基础上，同时加入了Anchor Free分支（下图绿框），构建多任务学习，通过Anchor-Based 和 Anchor-Free共同学习，提升整体效果，来看进一步展开的结构图：

     如上图所示，Anchor-Free添加的上面 WxHxK 个channel 作为分类（预测K个类别的概率），下面的 WxHx4 个channel 作为对应类别的回归，那么这里有两个问题：

     1）为什么要添加这两个branch呢？

           个人浅见是Multi-task有助于提升整体的准确度，这也在后面得到了证实。

     2）2个分支和原来的Anchor-Based分支是如何一起工作的呢？

          训练阶段把两个分支（Anchor-base 、Anchor-Free）的loss加权平均（貌似很好理解）。

          推理阶段两个分支分别预测Box，预测得到的Box放在一起做 NMS。

实验结果：

     

     可以看到，在COCO数据集的表现很好，特别是和Anchor-Based方法结合之后，更多实验结果请参考原论文。

4. Mask Scoring RCNN

     基于经典论文 Mask RCNN 扩展，加入了专门针对 Mask 的 Score分支，取得了不错的效果，因篇幅问题放到下一节讲解。