anchor free的目标检测方法--CornerNet
作者：晟 沚
前言
目前目标检测方法中深度方法主要分为one-stage(e.g. SSD, YOLO)和two-stage(e.g. RCNN系列)两种。one-stage直接在图片上经过计算生成detections。two-stage先提取proposal, 再基于proposal做二次修正。相对来说one-stage速度快, 精度低，而two-stage精度高, 速度慢。
从RCNN、SPPNet到fast RCNN，再到Faster RCNN，目标检测的三个步骤（区域选择，特征提取，分类回归）被统一到一个深度网络框架之内，大大提高了运行速度。FCN，FPN, RoI Align, Mask Branch等技术把Faster R-CNN往前极大的推进。之后又出现了FCN, IoU, NMS,ION,FPN, RoI Align和Mask Branch等技术渊源和YOLO, SSD, AttratioNet, G-CNN, R-FCN, Mask R-CNN等的进化关系！
01
背景介绍
目前的检测算法主要思路还是设置大量anchor+分配正负样本+训练的一个思路，Anchor的本质是目标的候选框，因为目标的形状和位置的多种可能性，Anchor的数量往往非常庞大，否则会出现遗漏的情况，这种情况对于one-stage的检测算法更加影响更加突出。
总的来说，Anchor有两个缺点：
1）提取的anchor boxes数量较多，只有一小部分和ground truth重合，生成了大量的负例，造成正负样本不平衡，降低了训练效率。
2）anchor boxes需要调整很多超参数，比如anchor boxes数量，大小，长宽比，影响模型的训练和推断速率
这篇文章的思路其实来源于一篇多人姿态估计的论文，主要是Bottom-Up framework，就是先对整个图片进行每个人体关键点部件的检测，再将检测到的人体部位拼接成每个人的姿态。
02
方法简述
这篇论文首先同时预测定位框的顶点对（左上角和右下角）热点图和embedding vector，再根据embedding vector对顶点进行分组。顶点的定位主要是用corner pooling。自然界的大部分目标是没有边界框也不会有矩形的顶点，依top-left corner pooling 为例，对每个channel，分别提取特征图的水平和垂直方向的最大值，然后求和，如下图所示。之所以有效原因，是因为目标定位框的中心难以确定，和边界框的4条边相关，但是每个顶点只与边界框的两条边相关，所以corner 更容易提取。再者顶点更有效提供离散的边界空间，实用O(wh)顶点可以表示O(w2h2) anchor boxes。同时论文提出的网络基于hourglass架构，使用focal loss的变体训练神经网络。
03
模型框架
论文提出的网络结构主要是由Hourglass Network,Bottom-right corners&Top-left Corners Heatmaps和Prediction Module三部分组成，如下图所示。堆叠两个Hourglass Network生成Top-left和Bottom-right corners，每一个corners都包括corners Pooling，以及对应的Heatmaps, Embeddings vector和offsets。embedding vector使相同目标的两个顶点（左上角和右下角）距离最短， offsets用于调整生成更加紧密的边界定位框。
角点检测部分
Prediction module生成的heatmaps包含C channels（C是目标的类别，没有background channel），每个channel是二进制掩膜，表示相应类别的顶点位置。
在每个ground-truth顶点设定半径r区域内都是正样本，这是因为落在半径r区域内的顶点依然可以生成有效的边界定位框，论文中设置IoU=0.7
pcij表示类别为c，坐标是（i,j）的预测热点图，ycij表示相应位置的ground-truth，论文提出变体Focal loss表示检测目标的损失函数：
网络下采样后模型生成的热点图相比输入图像分辨率低。因此作者提出偏移的损失函数，用于微调corner和ground-truth偏移。offset是表示在取整计算时丢失的精度信息，也就是以下公式所表达的内容。
Focus loss
负样本数量太大，占总的loss的大部分，而且多是容易分类的, 针对类别不均衡问题提出的一种新的损失函数：focal loss，主要有以下特点
在标准交叉熵损失基础上修改得到的,
通过减少易分类样本的权重，使得模型在训练时更专注于难分类的样本
当一个样本被分错的时候，pt是很小的，那么调制因子（1-Pt）接近1，损失不被影响；当Pt→1，因子（1-Pt）接近0，那么分的比较好的（well-classified）样本的权值就被调低了
设定a的值来控制正负样本对总的loss的共享权重。a取比较小的值来降低负样本（多的那类样本）的权重。
角点配对
输入图像会有多个目标，相应生成多个目标的左上角和右下角顶点。对顶点进行分组，论文模型在训练阶段为每个corner预测相应的embedding vector，通过embedding vector使同一目标的顶点对距离最短，既模型可以通过embedding vector为每个顶点分组。具体如下公式：
其中Lpull损失函数使同一目标的顶点进行分组， Lpush损失函数用于分离不同目标的顶点。
Corner pooling
以Top-left为例，提出的一种新的池化方式。如下图所示，对于第1组feature maps，对每行feature scores按从右向左的顺序选择已滑动过范围的最大值，对于第2组feature maps，对每列feature scores按从下向上的顺序选择已滑动过范围的最大值。 为了更好地适应corner的检测。在目标检测的任务中，object的corner往往在object之外，所以corner的检测不能根据局部的特征，而是应该对该点所在行的所有特征与列的所有特征进行扫描。如果我们能在某行和某列检测到同一个object的边界特征，那么这行和这列的交点就是corner，这是一种间接且有效的找corner的方法。左上角角点的右边有目标顶端的特征信息，左上角角点的下边有目标左侧的特征信息。池化时不能直接对整行或整列进行max pooling，当一张图上有多个目标时，这样会导致误检。
END
往期回顾之作者刘才权
【1】目标检测新技能！引入知识图谱:Reasoning-RCNN
【2】 MaskConnect: 探究网络结构搜索中的Module间更好的连接
【3】 tensorboard 指南
【4】 network sliming:加快模型速度同时不损失精度
机器学习算法工程师
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