Mask R-CNN原理详细解读

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Mask R-CNN是在Faster R-CNN的基础上添加了一个预测分割mask的分支,如上图所示。其中黑色部分为原来的Faster-RCNN,红色部分为在Faster-RCNN网络上的修改。将RoI Pooling 层替换成了RoIAlign层;添加了并列的FCN层(mask层)。

一、RoIAlign

首先介绍一下RoIPooling,它的目的是为了从RPN网络确定的ROI中导出较小的特征图(a small feature map,eg 7x7),ROI的大小各不相同,但是RoIPool后都变成了7x7大小。RPN网络会提出若干RoI的坐标以[x,y,w,h]表示,然后输入RoI Pooling,输出7x7大小的特征图供分类和定位使用。问题就出在RoI Pooling的输出大小是7x7上,如果ROI网络输出的RoI大小是8*8的,那么无法保证输入像素和输出像素是一一对应,首先他们包含的信息量不同(有的是1对1,有的是1对2),其次他们的坐标无法和输入对应起来(1对2的那个RoI输出像素该对应哪个输入像素的坐标?)。这对分类没什么影响,但是对分割却影响很大。RoIAlign的输出坐标使用插值算法得到,不再量化;每个grid中的值也不再使用max,同样使用差值算法。

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如上图所示: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。

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如上图所示,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。

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ROIPooling和ROIAlign对比处理流程如下:

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二、Network Architecture

整个的网络结构包含两部分,一部分是backbone用来提取特征,另一部分是head用来对每一个ROI进行分类、框回归和mask预测。

为了产生对应的Mask,文中提出了两种架构,即左边的Faster R-CNN/ResNet和右边的Faster R-CNN/FPN,如下图所示。

对于左边的架构,我们的backbone使用的是预训练好的ResNet,使用ResNet倒数第4层的网络。输入的ROI首先获得7x7x1024的ROI feature,然后将其升维到2048个通道(这里修改了原始的ResNet网络架构),然后有两个分支,上面的分支负责分类和回归,下面的分支负责生成对应的mask。由于前面进行了多次卷积和池化,减小了对应的分辨率,mask分支开始利用反卷积进行分辨率的提升,同时减少通道的个数,变为14x14x256,最后输出了14x14x80的mask模板。

而右边使用到的backbone是FPN网络,这是一个新的网络,通过输入单一尺度的图片,最后可以对应的特征金字塔,如果想要了解它的细节,请参考该链接。得到证实的是,该网络可以在一定程度上面提高检测的精度,当前很多的方法都用到了它。由于FPN网络已经包含了res5,可以更加高效的使用特征,因此这里使用了较少的filters。该架构也分为两个分支,作用于前者相同,但是分类分支和mask分支和前者相比有很大的区别。可能是因为FPN网络可以在不同尺度的特征上面获得许多有用信息,因此分类时使用了更少的滤波器。而mask分支中进行了多次卷积操作,首先将ROI变化为14x14x256的feature,然后进行了5次相同的操作(不清楚这里的原理,期待着你的解释),然后进行反卷积操作,最后输出28x28x80的mask。即输出了更大的mask,与前者相比可以获得更细致的mask。

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三、Loss function

 每个ROI的Loss函数如下所示:

每个ROIAlign对应 K * m^2 维度的输出。K对应类别个数,即输出 K个mask,m对应池化分辨率(7*7)。Loss函数定义:Lmask(Cls_k) = Sigmoid (Cls_k),平均二值交叉熵 (average binary cross-entropy)Loss,通过逐像素的Sigmoid计算得到。对应一个属于GT中的第k类的ROI,Lmask仅仅在第k个mask上面有定义(其它的k-1个mask输出对整个Loss没有贡献)。Why K个mask?通过对每个 Class 对应一个 Mask 可以有效避免类间竞争(其他 Class 不贡献 Loss )。

四、实验结果

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