目标检测论文阅读：An Analysis of Scale Invariance in Object Detection – SNIP

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5/25更新：关于对第一个实验的一些理解，更新部分对这篇论文的理解

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5/5更新：关于为什么作者认为过于large物体检测困难的原因：原理和开篇提到的小物体检测有点类似，anchor本质上是大小固定的box，过小物体会出现IoU过低，过大物体也容易出现IoU过低，结果就是容易漏检……不过总的来说，只是相对的。
另外，https://zhuanlan.zhihu.com/p/36431183 里Naiyan Wang大神更新了对于这篇文章的解读，比我单纯搬运翻译深刻很多，有兴趣的朋友不妨去围观。

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An Analysis of Scale Invariance in Object Detection – SNIP

论文链接：https://arxiv.org/abs/1711.08189
代码链接：https://arxiv.org/abs/1711.08189(尚没有完全公开)
CVPR2018的文章，这篇文章主要的研究点是目标检测中的小物体问题。小物体检测一直是目标检测中的难题，做过实验的同学应该都知道数据集中small类的AP基本是最低的，主要原因是两个，一个就是CNN网络提取到的语义化特征和分辨率之间的矛盾；另一个也是我最近才想明白的，就是目前的目标检测都采用了Faster RCNN的Anchor思想，小物体有时候即使全部在Anchor内，也容易因为小面积导致IoU过低。

本文的主要工作：
1. 通过实验验证了upsampling对于提高小目标检测的效果
2. 提出了一种Scale Normalization for Image Pyramids的方法

1. Background & Related Work

先以COCO数据集为例，目前普遍使用的ImageNet网络训练得到的模型作为预训练模型

可以看到的是，COCO90%的Instance的大小都在0.472以下，和ImageNet差别非常大，这一方面说明了类似COCO这样的数据集中存在着大量的小物体，另一方面也说明了ImageNet预训练的模型在迁移到样本大小差异较大的COCO中时很可能产生一定的domain-shift偏差。因此作者产生这样的motivation：

1. 现在检测网络为了提高对小目标的效果，都采用upsample的方法，这个真的是必要的吗？我能不能直接用低分辨率的图像不做upsample来训练网络（需要调小strides）？
2. 能不能通过挑选样本的方式来增加网络效果的，比如我upsample调整了大小以后，只用64x64~256x256的ground truth来训练？用所有的gt来训练真的更好吗？

实际上，现在有很多针对小目标的措施和改良，包括：

1. 使用dilated/strous或者deformable这类特殊的卷积来提高检测器对分辨率的敏感度
2. 最常用的，upsample来rezie网络输入图像的大小
3. 使用FPN这种把浅层特征和深层特征融合的，或者最后在预测的时候，使用浅层特征和深层特征一起预测；也有比较直接地在浅层和深层的feature map上直接各自独立做预测的；这个也就是我们常说的尺度问题（scales）

2. 探究性实验

作者在这一步主要探究的是低分辨率图像+特定的改良网络结构是否会有比较好的效果。

他训练了三个网络：

训练样本都是从ImageNet的样本库中取出，然后先降采样，然后再upsample放大回来，但是这么一折腾，降采样后的图像分辨低了，upsample后分辨率也不会得到提高，这样可以还原小目标低分辨率和面积小的特点。

这三个网络：

• CNN-B使用高分辨率图像训练，分类经过降采样和upsample的图片
• CNN-S使用低分辨率图像训练，分类经过降采样的图片
• CNN-B-FT使用高分辨率图像训练，然后在低分辨率图像上fine-tune，分类经过降采样和upsample的图片

本质上，其实三个网络都是在对小目标进行分类，不过CNN-S因为本身网络结构就不同，输入比较小，不需要经过upsample。最后结果，CNN-B-FT准确率最高，CNN-S其次，作者认为这是因为模型从高分辨率图像中得到了充分的学习。

这就说明了，训练样本和输入样本如果分辨率存在太大误差，performance必然下降。与其为了小目标而专门使用改变网络结构（CNN-S），直接upsample和使用高分辨率图像预训练得到的模型是更好的选择（CNN-B-FT）。

其实和一些人讨论的时候，好像都觉得这个实验对主旨并没有太大帮助。我个人又重新看了几次论文，我是这样理解的：ImageNet物体大、分辨率高，而COCO目标都很小，直接迁移会有问题，作者在试图探究如何进行迁移。降采样后的小图像数据集其实对应的是COCO数据集普遍存在的小目标的情况，试图模仿COCO数据集。因此三个网络的含义应该是：CNN-B，ImageNet预训练后的参数直接用来给COCO这种分辨率低的数据集用；CNN-S，不用ImageNet这种高分辨率的数据集做训练，我把网络就设置成适合COCO这类数据集的，训练和测试都用分辨率低的数据集；CNN-B-FT，ImageNet人家都训练好了，不用白不用，但是用之前，先用低分辨率数据集做一下fine-tune改良效果。

不过这个实验室确实没什么太大的用处。好像只是证明了fine-tune的必要性。

然后还有第二个实验，这个实验主要是想探究图像分辨率对结果的影响：

这个是只检测小目标的不同检测器的mAP值，然后800all和1400all分别是图像统一resize到短边为800、1400的大小，然后使用所有样本进行训练的模型；1400<80px是upsample后只用小目标进行训练的模型……而MST是随机在低分辨率和高分辨率之间采样进行训练的模型

作者想通过这个实验说明如下：

• upsample确实一定程度上可以提高性能，但是并不显著，这是因为Upsample提高了小目标的检测效果，但会让本来正常大小或者本来就大的目标过大，性能下降
• 训练网络需要使用大量样本，样本损失会导致性能下降
• 随机在分辨率之间采样的效果也不好，虽然你的样本满足了多尺度条件，但是还有其它原因限制了性能

本质上，这是因为CNN网络没有尺度不变形，没有把scale这个隐藏变量学习到的机制，只能通过大量参数来强行记忆不同scale的物体。而下面部分谈到的方法也很可能只是治标不治本，关键还是怎么把scale这个隐藏变量抽离出来，甚至可以直接学习；或者直接赋予网络学习scale的能力。

3. IPN与SNIP

作者的主要思路就是在训练和反向传播更新参数时，只考虑哪些在指定的尺度范围内的目标，由此提出了一种特别的多尺度训练方法，即SNIP（Scale Normalization for Image Pyramids）。

如上图所示，作者在训练时划分了三个尺度，对应三种不同分辨率的图像。每个分辨率i下的RoI都有其指定范围，如果gt的box大小在这个范围内，就被标记做valid，否则就被标记为invalid。

在生成Anchor并给Anchor分配label的时候，检查该Anchor是否和某个invalid gt box的overlap超过0.3，若存在，则该Anchor会被视作invalid Anchor；若不存在，则会被视作valid Anchor……这些invalie anchor在train的时候都会被无效化，也不会加入到反向传播的过程中从而对参数产生影响，相当于在每个分辨率上，只对大小合适的目标进行训练，这就符合了作者设计的初衷。相应的，在inference时候，如果区域面积在那个分辨率的指定范围外，也同样会被抛弃，最后，在进行rescale和NMS……

思想很简单，但是效果很好，实现起来要考虑的因素还是比较多的：
1. 作者使用的是Deformable RFCN detector而不是常见的一般卷积，当然受制于实验自身，需要作出一定的改变
2. 作者使用的网络结构是Dual path networks（DPN）和ResNet-101，由于需要内存很大，为了适应GPU内存，作者对图像进行了采样，具体方法是选取一个1000x1000的包含最多目标的区域作为子图像，然后重复该步骤直到所有目标都被选取
3. 作者为了提升RPN的效果，尝试了使用7个尺度，连接conv4和conv5的输出等等；当然还有其他一些设置，这里就不详细提了
由于代码还没有公布，一些细节问题还无法得知。

这个是最终的在COOC数据集上的结果，可以看到效果很好：

因为个人对文中提到的一些网络结构不是很了解，而且代码也没有放出来，因此估计要等代码放出、自己也补充一些相关知识才能有更深入的理解了。在此仅仅把自己的一些理解和困惑写下来，望交流和批评指正。