【CenterNet】《Objects as Points》

arXiv-2019

Code：https://github.com/xingyizhou/CenterNet

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1 Background and Motivation

监控、自动驾驶、visual question answering 等领域都涉及到目标检测，其发展推动着实例分割（instance segmentation）、姿态检测（pose estimation）、物体追踪（tracking）、动作识别（action recognition）等视觉任务的发展！

当前的 object detectors 通过一个轴向对齐的框（axis-aligned boxes）来表示每个 object，可分为 one-stage 方法（直接对 anchor 进行分类和回归，来确定最终的边界框） 和 two-stage 方法（对 anchor 先二分类+回归筛选出前景背景，然后 pooling 成固定尺寸进行分类+回归确定最终的边界框） ！由于候选区域较多（备胎），需要经过 NMS 算法筛选剔除（留下真爱），不过 NMS 方法往往难以 end-to-end 训练，所以大多数目标检测器不是 end-to-end trainable 的方法！

本文，作者用边界框的中心点来表示目标，目标的 size 用中心处的特征回归出来！这样目标检测的问题就转化为了关键点评估（keypoint estimation）问题！也即对每一类预测出一个 heatmap，heatmap 中响应值较高的点为中心点，配合中心点特征回归出来的 $h$ 和 $w$ 就能锁定边界框，从而实现目标检测的定位和分类！

作者也摒弃了 NMS 后处理操作（only have one positive “anchor” per object，没有备胎）！

最骚的是，基于点的特征可以回归出其他值，进而运用到其他的任务上（eg：3D object detection 和 pose keypoint estimation）

速度和精度的 trade-off 如下

左上角最猛

2 Related Work

• Object detection by region classification
  R-CNN、Fast RCNN

• Object detection with implicit anchors

  • one-stage：SSD、YOLO-v1、YOLO-v2、Focal Loss
  • two-stage：Faster R-CNN

• Object detection by keypoint estimation
  CornerNet、ExtremeNet，点检测完了之后需要 grouping 在一起形成框，这样比较慢，

• Monocular 3D object detection
  3D 领域没接触过过，这个就“略”了

3 Advantages / Contributions

• 提出 CenterNet，可以同时实现目标检测，人体关键点检测和 3D bounding box（uses keypoint estimation to find center points and regresses to all other object properties, such as size, 3D location, orientation, and even pose. ）
• 在 COCO 目标检测数据上，实现了不错的速度和精度 trade-off（效果一般哈）

4 Method

【CenterMask】《CenterMask：Single Shot Instance segmentation with Point Representation》 文章中，就是基于 CenterNet 改进的，关于检测的部分细节完全一样

C = 80 for COCO（类别数）

也即如下的形式
【CenterMask】《CenterMask：Single Shot Instance segmentation with Point Representation》

4.1 2D Objects as Points

1）中心点 Loss

预测中心点的损失，公式如下，是基于 focal loss 的修改版（a pixel-wise logistic regression modified by the focal loss）

其中

• ${\hat{Y}}_{xyc}\in {\mathbb{R}}^{\frac{H}{R}\times \frac{W}{R}\times C}$ 表示是第 $c$ 类 heatmap 中，位置 $(x,y)$ 处预测出来的 score，也即 detection confidence
• $Y_{xyc}$ 是对应的 GT
• $N$ 是图片中的中心点个数
• $\alpha =2$、$\beta =4$ 是超参数

仔细推导，就是把 logistic regression Loss 中的 cross entopy 换成了 focal loss 的形式！仅仅多了一个超参数 $\beta$ 而已！（$y=1$ 的时候，在 focal 代入 $y$ 和 $\hat{y}$，$y$ 不等于 1 的时候，在 focal loss 中代入 $1-y$ 和 $1-\hat{y}$）

logistic regression 的 binary cross entropy 如下：

Focal Loss 如下：

关于 Focal Loss 的解析可以参考 【Focal Loss】《Focal Loss for Dense Object Detection》

公式中 $Y_{xyc}$ 的定义同 Hourglass Network （参考 【Stacked Hourglass】《Stacked Hourglass Networks for Human Pose Estimation》），也即标签采用的是中心点的高斯分布，而不是仅有一个像素

GT 的高斯分布表达如下

2）偏置 Loss

L1 Loss，来 recover the discretization error caused by the output stride

其中

• $\hat{O}\in {\mathbb{R}}^{\frac{H}{R}\times \frac{W}{R}\times 2}$ 为预测的 offset
• $p$ 是 GT
• $R$ 是 output stride，也就是 heatmap 大小与原图大小的比例关系，为 4
• 特征图的中心点和原图中心点的映射关系为
  $$p=\lfloor \frac{p}{R}\rfloor$$

比如中心点在原图（15，15）处，R=4，那么精确地映射到特征图上对应着应该是 （3.75，3.75）处，但特征图最小的分辨率是 1 像素嘛，所以预测的中心点最准的地方只能为（3，3）！（3，3）还原到原始图处为（12，12），与（15，15）有了 3 个像素的偏差嘛，为了弥补这个偏差，我们需要在特征图（3，3）的基础上，学出一个（0.75，0.75）的偏置，这样的话恢复到原始图片大小，就能逼近（15，15）了

3）边界框大小 Loss

目标 $k$ 的边界框表示为 $(x_1^{(k)},y_1^{(k)},x_2^{(k)},y_2^{(k)})$，对应的类别用 $c_k$ 表示！

中心点坐标为

边界框的大小为

边界框的损失为

其中

• $\hat{S}\in {\mathbb{R}}^{\frac{H}{R}\times \frac{W}{R}\times 2}$ 表示预测出来的边界框大小
• $S_k=(h,w)$ 是 GT object size

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CenterNet 做 2D 目标检测的整体流程如下

【CenterMask】《CenterMask：Single Shot Instance segmentation with Point Representation》

整体 Loss 为

其中，${\lambda }_{size}和{\lambda }_{off}$ 分别被设置为了 0.1 和 1

测试的时候，一张热力图中，如果该点为 8 邻域响应最高的点，就为中心点（实现的时候采用 3x3 max-pooling 操作即可，感觉如果 max-pooling 的结果如果和自己相同，就保留），输出 top-100 的 center point，预测出来的边界框为

其中

是预测出的第 $i$ 个中心点

是预测出的偏置

是预测出的边界框大小

4.2 Human pose estimation

$k=17$ for COCO

1）直接回归偏置

$$l_j=(\hat{x},\hat{y})+{\hat{J}}_{\hat{x}\hat{y}j}$$

其中，

• $j\in 1...k$，表示关键点的类型
• $(\hat{x},\hat{y})$ 是关键点坐标
• $\hat{J}\in {\mathbb{R}}^{\frac{H}{R}\times \frac{W}{R}\times k\times 2}$ 是用 L1 Loss 来优化的 offset

Here, our center offset acts as a grouping cue, to assign individual keypoint detections to their closest person instance.

2）与此同时，预测热力图 $\Phi \in {\mathbb{R}}^{\frac{H}{R}\times \frac{W}{R}\times k}$，配合 focal loss 来 refine 关键点

$$L_j=\{l_{ij}{\}}_{i=1}^{n_j}$$

这个 $n$ 是什么意思？

保留 confidence > 0.1 的 keypoints

3）最后让两者逼近？

由于背景知识较少，这部分不知道自己理解错了没，感觉以预测1）偏置为主，热力图 2）只是精修下回归出的关键点的位置！

注意，上面操作 considering only joint detections within the bounding box of the detected object.（还是依托在目标检测任务之上）

5 Experiments

5.1 Datasets

• MS COCO
  • 118k training images (train2017)
  • 5k validation images (val2017)
  • 20k hold-out testing images (test-dev)
• Pascal VOC
• MS COCO keypoint dataset
• KITTI benchmark

5.2 Implementation details

采用了 ResNet、DLA、Hourglass 三种主干网络（【Stacked Hourglass】《Stacked Hourglass Networks for Human Pose Estimation》）

作者在 ResNet 和 DLA 的 3 次上采样之前（32 倍变成 4 倍），用了 3×3 的 deformable Conv，上采样采用的是 bilinear interpolation

输入的分辨率都是 512×512

data augmentation

• random flip,
• random scaling (between 0.6 to 1.3)
• cropping
• color jittering

inference 的时候有如下三种策略

• no augmentation,
• flip augmentation,
• flip and multi-scale (0.5, 0.75, 1, 1.25, 1.5)——multi-scale时，用 NMS 来合并结果

5.3 Object detection

5.3.1 Experiments on MS COCO

速度和精度的 trade-off

四种方法的 AP 对应着 Fig.1 的部分点

最高的精度（42:2% AP in 7:8 FPS）比 CornerNet（40:6% AP in 4:1 FPS） 和 ExtremeNet（40:3% AP in 3:1 FPS） 效果好，Better accuracy indicates that center points are easier to detect than corners or extreme points

和 State-of-the-art comparison 比较

实话说，还是二阶段的猛

5.3.2 Additional experiments

1）Center point collision

如果两个同类物体，在热力图上中心点是一样的，CenterNet 只能预测出其中第一个，作者统计了 COCO 数据集，共 860001 objects 中，有 614 pairs of objects（＜ 0.1%） 在步长为 4 的特征图上出现了 Center point collision！

SS 方法，会有 ~2% 的这种情况（imperfect region proposals）

Faster R-CNN 方法，会有 ~20.0% 的重叠（可能是在步长为 16 或者 32 的条件下吧 insufficient anchor placement）

2）NMS

For DLA-34 (flip-test)，用和不用效果为 39.2% to 39.7%

For Hourglass-104，用和不用效果都为 42.2%

所以 CenterNet 可以砍掉 NMS 这种后处理操作

3）Training and Testing resolution

这里应该指的是不用 padding 和用 padding 的区别的吧

4）Regression loss

size regression 时，L1 比 Smooth L1 效果更好

5）Bounding box size weight

6）Training schedule

5.3.3 Error Analysis

用 GT 来替换相应的检测部位，可以看到，上限能高达 99.5！

5.3.4 Experiments on Pascal VOC

5.3.5 3D detection

没接触过，这里就省略了

5.4 Pose estimation

效果一般般啦，用热力图 refine 比直接回归的效果要好（reg vs jd）

最后感受下 CenterNet 在三个任务上的结果

6 Conclusion（own）

• anchor 少，每个目标 只对应一个 positive，不用 NMS，易于 end-to-end train，且最小的 feature map 分辨率仅为原图的 ($\frac{1}{4},\frac{1}{4}$)
• Detector 效果没有二阶段的猛，keypoint estimation 效果一般般，3D 没接触过，不好评估，存在少量实例中心点重叠的情况！keypoint estimation 还是要基于 detectors 的框框里面的，来区分实例
• 错误分析实验很有启发，上限有 99.5，西天取经路漫漫矣