目标检测8:Improving Object Detection With One Line of Code

一篇讲通过改进NMS来提高检测效果的论文。

论 文 地 址: 《Improving Object Detection With One Line of Code》

Github地址: https://github.com/bharatsingh430/soft-nms

同时这篇知乎的文章总结的也相当到位:

https://zhuanlan.zhihu.com/p/28129034

 

NMS:Non-Maximum Suppression

对于检测任务,NMS是一个必需的部件,其为对检测结果进行冗余去除操作的后处理算法。标准的NMS为手工设计的,基于一个固定的距离阈值进行贪婪聚类,(greedily accepting local maxima and discarding their neighbours)即贪婪地选取得分高的检测结果并删除那些超过阈值的相邻结果,使得在recall和precision之间取得权衡。之前的相关工作大多都是利用NMS作为后处理操作。

Soft-NMS:Improving Object Detection With One Line of Code

不同于在NMS中采用单一阈值,对与最大得分检测结果M超过阈值的结果进行抑制,其主要考虑Soft-NMS,对所有目标的检测得分以相应overlap with M的连续函数进行衰减。其伪代码如下:

ConvNMS:A Convnet for Non-maximum Suppression

其主要考虑IoU阈值设定得高一些,则可能抑制得不够充分,而将IoU阈值设定得低一些,又可能多个ture positive被merge到一起。其设计一个卷积网络组合具有不同overlap阈值的greedyNMS结果,通过学习的方法来获得最佳的输出。基础框架如下:

Pure NMS Network:Learning non-maximum suppression

考虑目标间具有高遮挡的密集场景,其提出一个新的网络架构来执行NMS。经分析,检测器对于每个目标仅产生一个检测结果有两个关键点是必要的,一是一个loss惩罚double detections以告诉检测器我们对于每个目标仅需一个检测结果,二是相邻检测结果的joint processing以使得检测器具有必要的信息来分辨一个目标是否被多次检测。论文提出Gnet,其为第一个“pure”NMS网络。Gnet图示如下:

Yes-Net: An effective Detector Based on Global Information

不同于NMS,其主要有两个缺点,一是阈值必须人工设定,而在固定阈值下选择所有目标的输出边框是很难的,二是当检测器利用NMS时其假设输出边框都是独立的,但这些边框很可能是共享一些逻辑关系的。因此考虑利用RNN作为滤波器以得到最好的检测边框,其能提升检测器泛化能力。

 

动机:

 

绝大部分目标检测方法,最后都要用到 NMS-非极大值抑制进行后处理。 通常的做法是将检测框按得分排序,然后保留得分最高的框,同时删除与该框重叠面积大于一定比例的其它框。

这种贪心式方法存在如下图所示的问题: 红色框和绿色框是当前的检测结果,二者的得分分别是0.95和0.80。如果按照传统的NMS进行处理,首先选中得分最高的红色框,然后绿色框就会因为与之重叠面积过大而被删掉。

另一方面,NMS的阈值也不太容易确定,设小了会出现下图的情况(绿色框因为和红色框重叠面积较大而被删掉),设置过高又容易增大误检。

float

思路:不要粗鲁地删除所有IOU大于阈值的框,而是降低其置信度。

方法:

先直接上伪代码,如下图:如文章题目而言,就是用一行代码来替换掉原来的NMS。按照下图整个处理一遍之后,指定一个置信度阈值,然后最后得分大于该阈值的检测框得以保留

float

原来的NMS可以描述如下:将IOU大于阈值的窗口的得分全部置为0。

float

文章的改进有两种形式,一种是线性加权的:

float

一种是高斯加权的:

float

分析上面的两种改进形式,思想都是:M为当前得分最高框,bi 为待处理框,bi 和M的IOU越大,bi 的得分si 就下降的越厉害。

具体地,下面是作者给出的代码:(当然不止一行T_T)

def cpu_soft_nms(np.ndarray[float, ndim=2] boxes, float sigma=0.5, float Nt=0.3, float threshold=0.001, unsigned int method=0):
    cdef unsigned int N = boxes.shape[0]
    cdef float iw, ih, box_area
    cdef float ua
    cdef int pos = 0
    cdef float maxscore = 0
    cdef int maxpos = 0
    cdef float x1,x2,y1,y2,tx1,tx2,ty1,ty2,ts,area,weight,ov

    for i in range(N):
        maxscore = boxes[i, 4]
        maxpos = i

        tx1 = boxes[i,0]
        ty1 = boxes[i,1]
        tx2 = boxes[i,2]
        ty2 = boxes[i,3]
        ts = boxes[i,4]

        pos = i + 1
    # get max box
        while pos < N:
            if maxscore < boxes[pos, 4]:
                maxscore = boxes[pos, 4]
                maxpos = pos
            pos = pos + 1

    # add max box as a detection 
        boxes[i,0] = boxes[maxpos,0]
        boxes[i,1] = boxes[maxpos,1]
        boxes[i,2] = boxes[maxpos,2]
        boxes[i,3] = boxes[maxpos,3]
        boxes[i,4] = boxes[maxpos,4]

    # swap ith box with position of max box
        boxes[maxpos,0] = tx1
        boxes[maxpos,1] = ty1
        boxes[maxpos,2] = tx2
        boxes[maxpos,3] = ty2
        boxes[maxpos,4] = ts

        tx1 = boxes[i,0]
        ty1 = boxes[i,1]
        tx2 = boxes[i,2]
        ty2 = boxes[i,3]
        ts = boxes[i,4]

        pos = i + 1
    # NMS iterations, note that N changes if detection boxes fall below threshold
        while pos < N:
            x1 = boxes[pos, 0]
            y1 = boxes[pos, 1]
            x2 = boxes[pos, 2]
            y2 = boxes[pos, 3]
            s = boxes[pos, 4]

            area = (x2 - x1 + 1) * (y2 - y1 + 1)
            iw = (min(tx2, x2) - max(tx1, x1) + 1)
            if iw > 0:
                ih = (min(ty2, y2) - max(ty1, y1) + 1)
                if ih > 0:
                    ua = float((tx2 - tx1 + 1) * (ty2 - ty1 + 1) + area - iw * ih)
                    ov = iw * ih / ua #iou between max box and detection box

                    if method == 1: # linear
                        if ov > Nt: 
                            weight = 1 - ov
                        else:
                            weight = 1
                    elif method == 2: # gaussian
                        weight = np.exp(-(ov * ov)/sigma)
                    else: # original NMS
                        if ov > Nt: 
                            weight = 0
                        else:
                            weight = 1

                    boxes[pos, 4] = weight*boxes[pos, 4]

            # if box score falls below threshold, discard the box by swapping with last box
            # update N
                    if boxes[pos, 4] < threshold:
                        boxes[pos,0] = boxes[N-1, 0]
                        boxes[pos,1] = boxes[N-1, 1]
                        boxes[pos,2] = boxes[N-1, 2]
                        boxes[pos,3] = boxes[N-1, 3]
                        boxes[pos,4] = boxes[N-1, 4]
                        N = N - 1
                        pos = pos - 1

            pos = pos + 1

    keep = [i for i in range(N)]
    return keep

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