目标检测 2—— One Stage目标检测算法

笔记来源：DeepLearning-500-questions
上次学习了目标检测的基本概念和一些经典的Two Stage算法：1.目标检测Two Stage

3. One Stage目标检测算法

我们将对单次目标检测器（包括SSD系列和YOLO系列等算法）进行综述。我们将分析FPN以理解多尺度特征图如何提高准确率，特别是小目标的检测，其在单次检测器中的检测效果通常很差。然后我们将分析Focal loss和RetinaNet，看看它们是如何解决训练过程中的类别不平衡问题的。

3.1 SSD

SSD有哪些创新点？

1. 基于Faster R-CNN中的Anchor，提出了相似的先验框（Prior box）
2. 从不同比例的特征图（多尺度特征）中产生不同比例的预测，并明确地按长宽比分离预测。

不同于前面的R-CNN系列，SSD属于one-stage方法。SSD使用 VGG16 网络作为特征提取器（和 Faster R-CNN 中使用的 CNN 一样），将后面的全连接层替换成卷积层，并在之后添加自定义卷积层，并在最后直接采用卷积进行检测。在多个特征图上设置不同缩放比例和不同宽高比的先验框以融合多尺度特征图进行检测，靠前的大尺度特征图可以捕捉到小物体的信息，而靠后的小尺度特征图能捕捉到大物体的信息，从而提高检测的准确性和定位的准确性。如下图是SSD的网络结构图。

1. 怎样设置default boxes？
SSD中default box的概念有点类似于Faster R-CNN中的anchor。不同于Faster R-CNN只在最后一个特征层取anchor, SSD在多个特征层上取default box，可以得到不同尺度的default box。在特征图的每个单元上取不同宽高比的default box,一般宽高比在{1,2,3,1/2,1/3}中选取，有时还会额外增加一个宽高比为1但具有特殊尺度的box。如下图所示，在8x8的feature map和4x4的feature map上的每个单元取4个不同的default box。原文对于300x300的输入，分别在conv4_3, conv7,conv8_2,conv9_2,conv10_2,conv11_2的特征图上的每个单元取4,6,6,6,4,4个default box. 由于以上特征图的大小分别是38x38,19x19,10x10,5x5,3x3,1x1，所以一共得到38x38x4+19x19x6+10x10x6+5x5x6+
3x3x4+1x1x4=8732个default box.对一张300x300的图片输入网络将会针对这8732个default box预测8732个边界框。

2. 怎样对先验框进行匹配？
SSD在训练的时候只需要输入图像和图像中每个目标对应的ground truth. 先验框与ground truth 的匹配遵循两个原则：

（1）对图片中的每个ground truth, 在先验框中找到与其IOU最大的先验框，则该先验框对应的预测边界框与ground truth 匹配。

（2）对于（1）中每个剩下的没有与任何ground truth匹配到的先验框，找到与其IOU最大的ground truth，若其与该ground truth的IOU值大于某个阈值（一般设为0.5），则该先验框对应的预测边界框与该ground truth匹配。

按照这两个原则进行匹配，匹配到ground truth的先验框对应的预测边界框作为正样本，没有匹配到ground truth的先验框对应的预测边界框作为负样本。尽管一个ground truth可以与多个先验框匹配，但是ground truth的数量相对先验框还是很少，按照上面的原则进行匹配还是会造成负样本远多于正样本的情况。为了使正负样本尽量均衡（一般保证正负样本比例约为1：3），SSD采用hard negative mining, 即对负样本按照其预测背景类的置信度进行降序排列，选取置信度较小的top-k作为训练的负样本。

3. 怎样得到预测的检测结果？

最后分别在所选的特征层上使用3x3卷积核预测不同default boxes所属的类别分数及其预测的边界框location。由于对于每个box需要预测该box属于每个类别的置信度（假设有c类，包括背景，例如20class的数据集合，c=21）和该box对应的预测边界框的location(包含4个值，即该box的中心坐标和宽高)，则每个box需要预测c+4个值。所以对于某个所选的特征层，该层的卷积核个数为（c+4）x 该层的default box个数.最后将每个层得到的卷积结果进行拼接。对于得到的每个预测框，取其类别置信度的最大值，若该最大值大于置信度阈值，则最大值所对应的类别即为该预测框的类别，否则过滤掉此框。对于保留的预测框根据它对应的先验框进行解码得到其真实的位置参数（这里还需注意要防止预测框位置超出图片），然后根据所属类别置信度进行降序排列，取top-k个预测框，最后进行NMS，过滤掉重叠度较大的预测框，最后得到检测结果。

SSD优势是速度比较快，整个过程只需要一步，首先在图片不同位置按照不同尺度和宽高比进行密集抽样，然后利用CNN提取特征后直接进行分类与回归，所以速度比较快，但均匀密集采样会造成正负样本不均衡的情况使得训练比较困难，导致模型准确度有所降低。另外，SSD对小目标的检测没有大目标好，因为随着网络的加深，在高层特征图中小目标的信息丢失掉了，适当增大输入图片的尺寸可以提升小目标的检测效果。

3.2 DSSD

DSSD有哪些创新点？

1. Backbone：将ResNet替换SSD中的VGG网络，增强了特征提取能力
2. 添加了Deconvolution层，增加了大量上下文信息

为了解决SSD算法检测小目标困难的问题，DSSD算法将SSD算法基础网络从VGG-16更改为ResNet-101，增强网络特征提取能力，其次参考FPN算法思路利用去Deconvolution结构将图像深层特征从高维空间传递出来，与浅层信息融合，联系不同层级之间的图像语义关系，设计预测模块结构，通过不同层级特征之间融合特征输出预测物体类别信息。

DSSD算法中有两个特殊的结构：Prediction模块；Deconvolution模块。前者利用提升每个子任务的表现来提高准确性，并且防止梯度直接流入ResNet主网络。后者则增加了三个Batch Normalization层和三个3×3卷积层，其中卷积层起到了缓冲的作用，防止梯度对主网络影响太剧烈，保证网络的稳定性。

SSD和DSSD的网络模型如下图所示：

Prediction Module

SSD直接从多个卷积层中单独引出预测函数，预测量多达7000多，梯度计算量也很大。MS-CNN方法指出，改进每个任务的子网可以提高准确性。根据这一思想，DSSD在每一个预测层后增加残差模块，并且对于多种方案进行了对比，如下图所示。结果表明，增加残差预测模块后，高分辨率图片的检测精度比原始SSD提升明显。

Deconvolution模块

为了整合浅层特征图和deconvolution层的信息，作者引入deconvolution模块，如下图所示。作者受到论文Learning to Refine Object Segments的启发，认为用于精细网络的deconvolution模块的分解结构达到的精度可以和复杂网络一样，并且更有效率。作者对其进行了一定的修改：其一，在每个卷积层后添加批归一化（batch normalization）层；其二，使用基于学习的deconvolution层而不是简单地双线性上采样；其三，作者测试了不同的结合方式，元素求和（element-wise sum）与元素点积（element-wise product）方式，实验证明元素点积计算能得到更好的精度。

3.3 YOLOv1

YOLOv1有哪些创新点？

1. 将整张图作为网络的输入，直接在输出层回归bounding box的位置和所属的类别
2. 速度快，one stage detection的开山之作

YOLOv1介绍

YOLO（You Only Look Once: Unified, Real-Time Object Detection）是one-stage detection的开山之作。之前的物体检测方法首先需要产生大量可能包含待检测物体的先验框, 然后用分类器判断每个先验框对应的边界框里是否包含待检测物体，以及物体所属类别的概率或者置信度，同时需要后处理修正边界框，最后基于一些准则过滤掉置信度不高和重叠度较高的边界框，进而得到检测结果。这种基于先产生候选区再检测的方法虽然有相对较高的检测准确率，但运行速度较慢。

YOLO创造性的将物体检测任务直接当作回归问题（regression problem）来处理，将候选区和检测两个阶段合二为一。只需一眼就能知道每张图像中有哪些物体以及物体的位置。下图展示了各物体检测系统的流程图。

事实上，YOLO也并没有真正的去掉候选区，而是直接将输入图片划分成7x7=49个网格，每个网格预测两个边界框，一共预测49x2=98个边界框。可以近似理解为在输入图片上粗略的选取98个候选区，这98个候选区覆盖了图片的整个区域，进而用回归预测这98个候选框对应的边界框。

1. 网络结构是怎样的？

YOLO网络借鉴了GoogLeNet分类网络结构，不同的是YOLO使用1x1卷积层和3x3卷积层替代inception module。如下图所示，整个检测网络包括24个卷积层和2个全连接层。其中，卷积层用来提取图像特征，全连接层用来预测图像位置和类别概率值。

2. YOLO的输入、输出、损失函数分别是什么？

前面说到YOLO将输入图像分成7x7的网格，最后输出是7x7xk的张量。YOLO网络最后接了两个全连接层，全连接层要求输入是固定大小的，所以YOLO要求输入图像有固定大小，论文中作者设计的输入尺寸是448x448。

YOLO将输入图像分成7x7的网格，每个网格预测2个边界框。若某物体的ground truth的中心落在该网格，则该网格中与这个ground truth IOU最大的边界框负责预测该物体。对每个边界框会预测5个值，分别是边界框的中心x,y（相对于所属网格的边界），边界框的宽高w,h（相对于原始输入图像的宽高的比例），以及这些边界框的confidencescores（边界框与ground truth box的IOU值）。同时每个网格还需要预测c个类条件概率 （是一个c维向量，表示某个物体object在这个网格中，且该object分别属于各个类别的概率，这里的c类物体不包含背景）。论文中的c=20，则每个网格需要预测2x5+20=30个值，这些值被映射到一个30维的向量。
为了让边界框坐标损失、分类损失达到很好的平衡，损失函数设计如下图所示。

如上图所示，损失函数分为坐标预测（蓝色框）、含有物体的边界框的confidence预测（红色框）、不含有物体的边界框的confidence预测（黄色框）、分类预测（紫色框）四个部分。

由于不同大小的边界框对预测偏差的敏感度不同，小的边界框对预测偏差的敏感度更大。为了均衡不同尺寸边界框对预测偏差的敏感度的差异。作者巧妙的对边界框的w,h取均值再求L2 loss. YOLO中更重视坐标预测，赋予坐标损失更大的权重，记为 coord，在pascal voc训练中coodd=5 ，classification error部分的权重取1。

某边界框的置信度定义为：某边界框的confidence = 该边界框存在某类对象的概率pr(object)*该边界框与该对象的ground truth的IOU值 ，若该边界框存在某个对象pr(object)=1 ，否则pr(object)=0 。由于一幅图中大部分网格中是没有物体的，这些网格中的边界框的confidence置为0，相比于有物体的网格，这些不包含物体的网格更多，对梯度更新的贡献更大，会导致网络不稳定。为了平衡上述问题，YOLO损失函数中对没有物体的边界框的confidence error赋予较小的权重，记为 noobj，对有物体的边界框的confidence error赋予较大的权重。在pascal VOC训练中noobj=0.5 ，有物体的边界框的confidence error的权重设为1.

3. YOLO怎样预测？

YOLO最后采用非极大值抑制（NMS）算法从输出结果中提取最有可能的对象和其对应的边界框。

输入一张图片到YOLO网络将输出一个7730的张量表示图片中每个网格对应的可能的两个边界框以及每个边界框的置信度和包含的对象属于各个类别的概率。由此可以计算某对象i属于类别 同时在第j个边界框中的得分：

每个网格有20个类条件概率，2个边界框置信度，相当于每个网格有40个得分，7x7个网格有1960个得分，每类对象有1960/20=98个得分，即98个候选框。

NMS步骤如下：

1.设置一个Score的阈值，一个IOU的阈值；

2.对于每类对象，遍历属于该类的所有候选框，

①过滤掉Score低于Score阈值的候选框；

②找到剩下的候选框中最大Score对应的候选框，添加到输出列表；

③进一步计算剩下的候选框与②中输出列表中每个候选框的IOU，若该IOU大于设置的IOU阈值，将该候选框过滤掉，否则加入输出列表中；

④最后输出列表中的候选框即为图片中该类对象预测的所有边界框

3.返回步骤2继续处理下一类对象。

YOLO将识别与定位合二为一，结构简便，检测速度快，更快的Fast YOLO可以达到155FPS。相对于R-CNN系列, YOLO的整个流程中都能看到整张图像的信息，因此它在检测物体时能很好的利用上下文信息，从而不容易在背景上预测出错误的物体信息。同时YOLO可以学习到高度泛化的特征，能将一个域上学到的特征迁移到不同但相关的域上，如在自然图像上做训练的YOLO，在艺术图片上可以得到较好的测试结果。

由于YOLO网格设置比较稀疏，且每个网格只预测2个边界框，其总体预测精度不高，略低于Fast RCNN。其对小物体的检测效果较差，尤其是对密集的小物体表现比较差。

3.4 YOLOv2

YOLOv2 有哪些创新点？

YOLOv1虽然检测速度快，但在定位方面不够准确，并且召回率较低。为了提升定位准确度，改善召回率，YOLOv2在YOLOv1的基础上提出了几种改进策略，如下图所示，可以看到，一些改进方法能有效提高模型的mAP。

1. 大尺度预训练分类
2. New Network：Darknet-19
3. 加入anchor
   
   YOLOv2 介绍

（1）Batch Normalization

YOLOv2中在每个卷积层后加Batch Normalization(BN)层，去掉dropout. BN层可以起到一定的正则化效果，能提升模型收敛速度，防止模型过拟合。YOLOv2通过使用BN层使得mAP提高了2%。
（2）High Resolution Classifier

目前的大部分检测模型都会使用主流分类网络（如vgg、resnet）在ImageNet上的预训练模型作为特征提取器,
而这些分类网络大部分都是以小于256x256的图片作为输入进行训练的，低分辨率会影响模型检测能力。YOLOv2将输入图片的分辨率提升至448x448，为了使网络适应新的分辨率，YOLOv2先在ImageNet上以448x448的分辨率对网络进行10个epoch的微调，让网络适应高分辨率的输入。通过使用高分辨率的输入，YOLOv2的mAP提升了约4%。

（3）Convolutional With Anchor Boxes

YOLOv1利用全连接层直接对边界框进行预测，导致丢失较多空间信息，定位不准。YOLOv2去掉了YOLOv1中的全连接层，使用Anchor Boxes预测边界框，同时为了得到更高分辨率的特征图，YOLOv2还去掉了一个池化层。由于图片中的物体都倾向于出现在图片的中心位置，若特征图恰好有一个中心位置，利用这个中心位置预测中心点落入该位置的物体，对这些物体的检测会更容易。所以总希望得到的特征图的宽高都为奇数。YOLOv2通过缩减网络，使用416x416的输入，模型下采样的总步长为32，最后得到13x13的特征图，然后对13x13的特征图的每个cell预测5个anchor boxes，对每个anchor box预测边界框的位置信息、置信度和一套分类概率值。使用anchor
boxes之后，YOLOv2可以预测13x13x5=845个边界框，模型的召回率由原来的81%提升到88%，mAP由原来的69.5%降低到69.2%.召回率提升了7%，准确率下降了0.3%。

（4）Dimension Clusters

在Faster R-CNN和SSD中，先验框都是手动设定的，带有一定的主观性。YOLOv2采用k-means聚类算法对训练集中的边界框做了聚类分析，选用boxes之间的IOU值作为聚类指标。综合考虑模型复杂度和召回率，最终选择5个聚类中心，得到5个先验框，发现其中中扁长的框较少，而瘦高的框更多，更符合行人特征。通过对比实验，发现用聚类分析得到的先验框比手动选择的先验框有更高的平均IOU值，这使得模型更容易训练学习。

（5）New Network：Darknet-19

YOLOv2采用Darknet-19，其网络结构如下图所示，包括19个卷积层和5个max pooling层，主要采用3x3卷积和1x1卷积，这里1x1卷积可以压缩特征图通道数以降低模型计算量和参数，每个卷积层后使用BN层以加快模型收敛同时防止过拟合。最终采用global avg pool 做预测。采用YOLOv2，模型的mAP值没有显著提升，但计算量减少了。

（6）Direct location prediction

Faster R-CNN使用anchor boxes预测边界框相对先验框的偏移量，由于没有对偏移量进行约束，每个位置预测的边界框可以落在图片任何位置，会导致模型不稳定，加长训练时间。YOLOv2沿用YOLOv1的方法，根据所在网格单元的位置来预测坐标,则Ground Truth的值介于0到1之间。网络中将得到的网络预测结果再输入sigmoid函数中，让输出结果介于0到1之间。设一个网格相对于图片左上角的偏移量是cx，cy。先验框的宽度和高度分别是pw和ph，则预测的边界框相对于特征图的中心坐标(bx，by)和宽高bw、bh的计算公式如下图所示。

YOLOv2结合Dimention Clusters, 通过对边界框的位置预测进行约束，使模型更容易稳定训练，这种方式使得模型的mAP值提升了约5%。

（7）Fine-Grained Features

YOLOv2借鉴SSD使用多尺度的特征图做检测，提出pass through层将高分辨率的特征图与低分辨率的特征图联系在一起，从而实现多尺度检测。YOLOv2提取Darknet-19最后一个max pool层的输入，得到26x26x512的特征图。经过1x1x64的卷积以降低特征图的维度，得到26x26x64的特征图，然后经过pass through层的处理变成13x13x256的特征图（抽取原特征图每个2x2的局部区域组成新的channel，即原特征图大小降低4倍，channel增加4倍），再与13x13x1024大小的特征图连接，变成13x13x1280的特征图，最后在这些特征图上做预测。使用Fine-Grained Features，YOLOv2的性能提升了1%.

（8）Multi-Scale Training

YOLOv2中使用的Darknet-19网络结构中只有卷积层和池化层，所以其对输入图片的大小没有限制。YOLOv2采用多尺度输入的方式训练，在训练过程中每隔10个batches,重新随机选择输入图片的尺寸，由于Darknet-19下采样总步长为32，输入图片的尺寸一般选择32的倍数{320,352,…,608}。采用Multi-Scale Training, 可以适应不同大小的图片输入，当采用低分辨率的图片输入时，mAP值略有下降，但速度更快，当采用高分辨率的图片输入时，能得到较高mAP值，但速度有所下降。

YOLOv2借鉴了很多其它目标检测方法的一些技巧，如Faster R-CNN的anchor boxes, SSD中的多尺度检测。除此之外，YOLOv2在网络设计上做了很多tricks,使它能在保证速度的同时提高检测准确率，Multi-Scale Training更使得同一个模型适应不同大小的输入，从而可以在速度和精度上进行自由权衡。

YOLOv2的训练

YOLOv2的训练主要包括三个阶段。
第一阶段：先在ImageNet分类数据集上预训练Darknet-19，此时模型输入为$224\times 224$,共训练160个epochs。
第二阶段：将网络的输入调整为$448\times 448$,继续在ImageNet数据集上finetune分类模型，训练10个epochs，此时分类模型的top-1准确度为76.5%，而top-5准确度为93.3%。
第三个阶段：修改Darknet-19分类模型为检测模型，并在检测数据集上继续finetune网络。
网络修改包括（网路结构可视化）：移除最后一个卷积层、global avgpooling层以及softmax层，并且新增了三个$3\times 3\times 2014$卷积层，同时增加了一个passthrough层，最后使用$1\times 1$卷积层输出预测结果。

3.5 YOLO9000

github：http://pjreddie.com/yolo9000/

YOLO9000是在YOLOv2的基础上提出的一种联合训练方法，可以检测超过9000个类别的模型。YOLOv2混合目标检测数据集和分类数据集，用目标检测数据集及其类别标记信息和位置标注信息训练模型学习预测目标定位和分类，用分类数据集及其类别标记信息进一步扩充模型所能识别的物体类别同时能增强模型鲁棒性。

1. YOLO9000是怎么组织数据的？

YOLO9000根据各个类别之间的从属关系建立一种树结WordTree, 将COCO数据集和ImageNet数据集组织起来。

WordTree的生成方式如下：

①首先遍历ImageNet中的类别名词。

②对每个名词，在WordNet(一种结构化概念及概念之间关系的语言数据库)上找到从它所在位置到根节点（设根节点为实体对象physical object）的最短路径，由于在WordNet中大多数同义词只有一个路径，所以先把将该路径上的词全都加到树中。

③迭代地检查剩下的名词，取它到根节点的最短路径，将该最短路径上的还没出现在层次树中的词加入到树中。
混合后的数据集形成一个有9418类的WordTree.生成的WordTree模型如下图所示。另外考虑到COCO数据集相对于ImageNet数据集数据量太少了，为了平衡两个数据集，作者进一步对COCO数据集过采样，使COCO数据集与ImageNet数据集的数据量比例接近1：4。

对于物体的标签，采用one-hot编码的形式，数据集中的每个物体的类别标签被组织成1个长度为9418的向量，向量中除在WordTree中从该物体对应的名词到根节点的路径上出现的词对应的类别标号处为1，其余位置为0。

2. YOLO9000是怎么进行联合训练的？

YOLO9000采用YOLOv2的结构，anchorbox由原来的5调整到3，对每个anchorbox预测其对应的边界框的位置信息x,y,w,h和置信度以及所包含的物体分别属于9418类的概率，所以每个anchorbox需要预测4+1+9418=9423个值。每个网格需要预测3x9423=28269个值。在训练的过程中，当网络遇到来自检测数据集的图片时，用完整的YOLOv2loss进行反向传播计算，当网络遇到来自分类数据集的图片时，只用分类部分的loss进行反向传播。

3. YOLO9000是怎么预测的？

WordTree中每个节点的子节点都属于同一个子类，分层次的对每个子类中的节点进行一次softmax处理，以得到同义词集合中的每个词的下义词的概率。当需要预测属于某个类别的概率时，需要预测该类别节点的条件概率。即在WordTree上找到该类别名词到根节点的路径，计算路径上每个节点的概率之积。预测时，YOLOv2得到置信度，同时会给出边界框位置以及一个树状概率图，沿着根节点向下，沿着置信度最高的分支向下，直到达到某个阈值，最后到达的节点类别即为预测物体的类别。

YOLO9000使用WordTree混合目标检测数据集和分类数据集，并在其上进行联合训练，使之能实时检测出超过9000个类别的物体，其强大令人赞叹不已。YOLO9000尤其对动物的识别效果很好，但是对衣服或者设备等类别的识别效果不是很好，可能的原因是与目标检测数据集中的数据偏向有关。

3.6 YOLOv3

YOLOv3总结了自己在YOLOv2的基础上做的一些尝试性改进，有的尝试取得了成功，而有的尝试并没有提升模型性能。其中有两个值得一提的亮点，一个是使用残差模型，进一步加深了网络结构；另一个是使用FPN架构实现多尺度检测。

YOLOv3有哪些创新点？

1. 新网络结构：DarkNet-53
2. 融合FPN
3. 用逻辑回归替代softmax作为分类器

1. YOLOv3对网络结构做了哪些改进？

YOLOv3在之前Darknet-19的基础上引入了残差块，并进一步加深了网络，改进后的网络有53个卷积层，取名为Darknet-53，网络结构如下图所示（以256*256的输入为例）。

为了比较Darknet-53与其它网络结构的性能，作者在TitanX上，采用相同的实验设置，将256x256的图片分别输入以Darknet-19，ResNet-101，ResNet-152和Darknet-53为基础网络的分类模型中，实验得到的结果如下图所示。可以看到Darknet-53比ResNet-101的性能更好，而且速度是其1.5倍，Darknet-53与ResNet-152性能相似但速度几乎是其2倍。注意到，Darknet-53相比于其它网络结构实现了每秒最高的浮点计算量，说明其网络结构能更好的利用GPU。

2.YOLOv3中怎样实现多尺度检测？

YOLOv3借鉴了FPN的思想，从不同尺度提取特征。相比YOLOv2，YOLOv3提取最后3层特征图，不仅在每个特征图上分别独立做预测，同时通过将小特征图上采样到与大的特征图相同大小，然后与大的特征图拼接做进一步预测。用维度聚类的思想聚类出9种尺度的anchor box，将9种尺度的anchor box均匀的分配给3种尺度的特征图.如下图是在网络结构图的基础上加上多尺度特征提取部分的示意图（以在COCO数据集(80类)上256x256的输入为例）：

从YOLOv1到YOLOv2再到YOLO9000、YOLOv3, YOLO经历三代变革，在保持速度优势的同时，不断改进网络结构，同时汲取其它优秀的目标检测算法的各种trick，先后引入anchor box机制、引入FPN实现多尺度检测等。

3.7 RetinaNet

研究背景

• Two-Stage检测器（如Faster R-CNN、FPN）效果好，但速度相对慢
• One-Stage检测器（如YOLO、SSD）速度快，但效果一般
  
  作者对one-stage检测器准确率不高的问题进行探究，发现主要问题在于正负类别不均衡（简单-难分类别不均衡）。

We discover that the extreme foreground-background class imbalance encountered during training of dense detectors is the central cause.

作者建议通过重新设计标准的交叉熵损失（cross entropy loss）来解决这种类别不平衡（class inbalance）问题，即提出Focal Loss。

We propose to address this class imbalance by reshaping the standard cross entropy loss such that it down-weights the loss assigned to well-classified examples. Our novel Focal Loss focuses training on a sparse set of hard examples and prevents the vast number of easy negatives from overwhelming the detector during training.

结合Focal Loss的one-stage检测器称为RetinaNet，该检测器在COCO上mAP可以和特征金字塔网络（feature pyramid network，FPN）或者Mask R-CNN接近，

问：什么是类别不均衡（class imbalance）？

答：负样本的数量极大于正样本的数量，比如包含物体的区域（正样本）很少，而不包含物体的区域（负样本）很多。比如检测算法在早期会生成一大波的bbox。而一幅常规的图片中，顶多就那么几个object。这意味着，绝大多数的bbox属于background。

问：样本的类别不均衡会带来什么问题？

答：由于大多数都是简单易分的负样本（属于背景的样本），使得训练过程不能充分学习到属于那些有类别样本的信息；其次简单易分的负样本太多，可能掩盖了其他有类别样本的作用（这些简单易分的负样本仍产生一定幅度的loss，见下图蓝色曲线，数量多会对loss起主要贡献作用，因此就主导了梯度的更新方向，掩盖了重要的信息）

This imbalance causes two problems: (1) training is inefficient as most locations are easy negatives that contribute no useful learning signal; (2) en masse, the easy negatives can overwhelm training and lead to degenerate models.

简单来说，因为bbox数量爆炸。 正是因为bbox中属于background的bbox太多了，所以如果分类器无脑地把所有bbox统一归类为background，accuracy也可以刷得很高。于是乎，分类器的训练就失败了。分类器训练失败，检测精度自然就低了。

问：为什么在two-stage检测器中，没有出现类别不均衡（class imbalamce）问题呢？

答：因为通过RPN阶段可以减少候选目标区域，而在分类阶段，可以固定前景与背景比值（foreground-to-background ratio）为1:3，或者使用OHEM（online hard example mining）使得前景和背景的数量达到均衡。

RetinaNet有哪些创新点？

概述：

• New loss：提出Focal Loss函数解决class imbalance

$$FL(p_t)=-(1-p_t{)}^{\gamma }\log (p_t)FL(pt)=-(1-pt)\gamma log(pt)$$

• New detector：RetinaNet = ResNet + FPN + Two sub-networks + Focal Loss

Focal Loss更加聚焦在困难样本（hard examples）上的训练。

将Focal Loss与ResNet-101-FPN backbone结合提出RetinaNet（one-stage检测器），RetinaNet在COCO test-dev上达到39.1mAP，速度为5FPS。

RetinaNet检测器与当时最佳的其它检测器进行比较，无论是速度上还是准确率上都是最佳：

详解：

作者提出一种新的损失函数，思路是希望那些hard examples对损失的贡献变大，使网络更倾向于从这些样本上学习。

作者以二分类为例进行说明：

交叉熵函数CE

首先是我们常使用的交叉熵损失函数：

上式中，y=+1或者y=-1。p∈[0,1]是y=+1的估计概率。作者定义pt为：

注：对交叉熵函数不了解的，可以参考理解交叉熵作为损失函数在神经网络中的作用

均衡交叉熵函数

要对类别不均衡问题对loss的贡献进行一个控制，即加上一个控制权重即可，最初作者的想法即如下这样，对于属于少数类别的样本，增大α即可

但这样有一个问题，它仅仅解决了正负样本之间的平衡问题，并没有区分易分/难分样本，按作者的话说：

While α balances the importance of positive/negative examples, it does not differentiate between easy/hard examples. Instead, we propose to reshape the loss function to down-weight easy examples and thus focus training on hard negatives.

问：为什么公式(3)只解决正负样本不均衡问题？

答：增加了一个系数αt，跟pt的定义类似，当label=1的时候，αt=a；当label=-1的时候，αt=1-a，a的范围也是0到1。因此可以通过设定a的值（一般而言假如1这个类的样本数比-1这个类的样本数多很多，那么a会取0到0.5来增加-1这个类的样本的权重）来控制正负样本对总的loss的共享权重。

Focal Loss

作者一开始给交叉熵损失函数添加modulating factor：
$$(1-pt{)}^{\gamma }(1-pt)\gamma$$

显然，样本越易分，pt就越大（pt—>1），modulating factor趋近于0，则贡献的loss就越小，同样地，样本越难分，其pt就越小，modulating factor接近于1，则贡献的loss不受影响。

问：为什么pt越大，FL值越小？

答：根据公式（4）可知，FL与log(pt)中的pt成反比，与1-pt成正比，因此FL与pt的关系成反比。这是交叉熵函数的基本性质。当pt很大时（接近于1），FL值很小；而当pt很小时（接近于0），FL值会很大。

注：这里有个超参数—focusing parameter γ。

γ 放大了modulating factor的作用。

举原文中的一个例子，当pt=0.9时，带有modulating factor的focal loss是CE loss的100分之一，即进一步减小了正确分类的损失。

For instance, with γ = 2, an example classified with pt = 0.9 would have 100× lower loss compared with CE and with pt ≈ 0.968 it would have 1000× lower loss. This in turn increases the importance of correcting misclassified examples (whose loss is scaled down by at most 4× for pt ≤ .5 and γ = 2).

在实际中，作者采用如下公式，即综合了公式(3)和公式(4)的形式，这样机能调整正负样本的权重，又能控制难易分类样本的权重：

这里的两个参数 α和γ 来控制，在实验中a的选择范围也很广，一般而言当γ增加的时候，a需要减小一点，本文作者采用α=0.25，γ=2效果最好。

RetinaNet Detector

RetinaNet是由backbone网络和两个特殊任务的子网络（subnet）组成（属于one-stage检测器）。Backbone用来计算feature map；第一个子网络用来object classification，第二个子网络用来bounding box regression。

Feature Pyramid Network Backbone

Anchor

Classification Subnet

Box Regression Subnet

[外链图片转存失败(img-AIgbNKO5-1565581483861)(./img/ch8/RetinaNet-12.png)]

RetinaNet结构注意内容：

1. 训练时FPN每一级的所有example都被用于计算Focal Loss，loss值加到一起用来训练；
2. 测试时FPN每一级只选取score最大的1000个example来做nms；
3. 整个结构不同层的head部分(上图中的c和d部分)共享参数，但分类和回归分支间的参数不共享；
4. 分类分支的最后一级卷积的bias初始化成前面提到的-log((1-π)/π);

实验结果

Table1是关于RetinaNet和Focal Loss的一些实验结果。（a）是在交叉熵的基础上加上参数a，a=0.5就表示传统的交叉熵，可以看出当a=0.75的时候效果最好，AP值提升了0.9。（b）是对比不同的参数γ和a的实验结果，可以看出随着γ的增加，AP提升比较明显。（d）通过和OHEM的对比可以看出最好的Focal Loss比最好的OHEM提高了3.2AP。这里OHEM1:3表示在通过OHEM得到的minibatch上强制positive和negative样本的比例为1:3，通过对比可以看出这种强制的操作并没有提升AP。（e）加入了运算时间的对比，可以和前面的Figure2结合起来看，速度方面也有优势！注意这里RetinaNet-101-800的AP是37.8，当把训练时间扩大1.5倍同时采用scale jitter，AP可以提高到39.1，这就是全文和table2中的最高的39.1AP的由来。

3.8 RFBNet

RFBNet有哪些创新点？

1. 提出RF block（RFB）模块

RFBNet主要想利用一些技巧使得轻量级模型在速度和精度上达到很好的trade-off的检测器。灵感来自人类视觉的感受野结构Receptive Fields (RFs) ，提出了新奇的RF block（RFB）模块，来验证感受野尺寸和方向性的对提高有鉴别鲁棒特征的关系。RFBNet是以主干网络（backbone）为VGG16的SSD来构建的，主要是在Inception的基础上加入了dilated卷积层（dilated convolution），从而有效增大了感受野（receptive field）。整体上因为是基于SSD网络进行改进，所以检测速度还是比较快，同时精度也有一定的保证。

RFB介绍

RFB是一个类似Inception模块的多分支卷积模块，它的内部结构可分为两个组件：多分支卷积层和dilated卷积层。如下图：

1.多分支卷积层
​ 根据RF的定义，用多种尺寸的卷积核来实现比固定尺寸更好。具体设计：1.瓶颈结构，1x1-s2卷积减少通道特征，然后加上一个nxn卷积。2.替换5x5卷积为两个3x3卷积去减少参数，然后是更深的非线性层。有些例子，使用1xn和nx1代替nxn卷积；shortcut直连设计来自于ResNet和Inception ResNet V2。3.为了输出，卷积经常有stride=2或者是减少通道，所以直连层用一个不带非线性激活的1x1卷积层。

2.Dilated 卷积层

设计灵感来自Deeplab，在保持参数量和同样感受野的情况下，用来获取更高分辨率的特征。下图展示两种RFB结构：RFB和RFB-s。每个分支都是一个正常卷积后面加一个dilated卷积，主要是尺寸和dilated因子不同。（a）RFB。整体结构上借鉴了Inception的思想，主要不同点在于引入3个dilated卷积层（比如3x3conv，rate=1），这也是RFBNet增大感受野的主要方式之一；（b）RFB-s。RFB-s和RFB相比主要有两个改进，一方面用3x3卷积层代替5x5卷积层，另一方面用1x3和3x1卷积层代替3x3卷积层，主要目的应该是为了减少计算量，类似Inception后期版本对Inception结构的改进。

RFBNet300的整体结构如下图所示，基本上和SSD类似。RFBNet和SSD不同的是：1、主干网上用两个RFB结构替换原来新增的两层。2、conv4_3和conv7_fc在接预测层之前分别接RFB-s和RFB结构。

3.9 M2Det

M2Det有哪些创新点？

1. 提出了多层次特征金字塔网络（MLFPN）来构建更有效的特征金字塔，用于检测不同尺度的对象。

M2Det的整体架构如下所示。M2Det使用backbone和多级特征金字塔网络（MLFPN）从输入图像中提取特征，然后类似于SSD，根据学习的特征生成密集的边界框和类别分数，最后是非最大抑制（NMS）操作以产生最终结果。 MLFPN由三个模块组成：特征融合模块（FFM），简化的U形模块（TUM）和按基于尺度的特征聚合模块（SFAM）。 FFMv1通过融合骨干网络的特征图，将语义信息丰富为基本特征。每个TUM生成一组多尺度特征，然后交替连接的TUM和FFMv2提取多级多尺度特征。此外，SFAM通过按比例缩放的特征连接操作和自适应注意机制将特征聚合到多级特征金字塔中。下面介绍有关M2Det中三个核心模块和网络配置的更多详细信息。

FFMs

FFM融合了M2Det中不同层次的特征，这对于构建最终的多级特征金字塔至关重要。它们使用1x1卷积层来压缩输入特征的通道，并使用连接操作来聚合这些特征图。特别是，由于FFMv1以backbone中不同比例的两个特征图作为输入，因此它采用一个上采样操作，在连接操作之前将深度特征重新缩放到相同的尺度。同时，FFMv2采用基本特征和前一个TUM的最大输出特征图 - 这两个具有相同的比例 - 作为输入，并产生下一个TUM的融合特征。 FFMv1和FFMv2的结构细节分别如下图（a）和（b）所示。

TUMs

TUM不同于FPN和RetinaNet，TUM采用简化的U形结构，如上图（c）所示。编码器是一系列3x3，步长为2的卷积层.并且解码器将这些层的输出作为其参考特征集，而原始FPN选择ResNet主干网络中每个阶段的最后一层的输出。此外，在解码器分支的上采样层后添加1x1卷积层和按元素求和的操作，以增强学习能力并保持特征的平滑性。每个TUM的解码器中的所有输出形成当前级别的多尺度特征。整体而言，堆叠TUM的输出形成多层次多尺度特征，而前TUM主要提供浅层特征，中间TUM提供中等特征，后TUM提供深层特征。

SFAM

SFAM旨在将由TUM生成的多级多尺度特征聚合成多级特征金字塔，如下图所示。SFAM的第一阶段是沿着信道维度将等效尺度的特征连接在一起。聚合特征金字塔可以表示为$X=[X_1,X_2,...,X_i,...,X_L]$，其中
$$X_i=Concat(X_{1i},X_{2i},....,X_{Li})\in R^{W_i\times H_i\times C}$$
指的是尺度第i个最大的特征。这里，聚合金字塔中的每个比例都包含来自多级深度的特征。但是，简单的连接操作不太适合。在第二阶段，引入了通道注意模块，以促使特征集中在最有益的通道。在SE区块之后，使用全局平均池化来在挤压步骤中生成通道统计z∈RC。