【论文笔记】RetinaNet论文最全解析！一文读懂！

Focal Loss for Dense Object Detection

我们知道object detection的算法主要可以分为两大类：two-stage detector和one-stage detector。前者是指类似Faster RCNN，RFCN这样需要region proposal的检测算法，这类算法可以达到很高的准确率，但是速度较慢。虽然可以通过减少proposal的数量或降低输入图像的分辨率等方式达到提速，但是速度并没有质的提升。后者是指类似YOLO，SSD这样不需要region proposal，直接回归的检测算法，这类算法速度很快，但是准确率不如前者。研究发现 正负样本极不均衡是主要原因。

因此针对类别不均衡问题，作者提出一种新的损失函数：focal foss，这个损失函数是在标准交叉熵损失基础上修改得到的。这个函数可以通过减少易分类样本的权重，使得模型在训练时更专注于稀疏的难分类的样本；防止大量易分类负样本在训练中压垮检测器。为了证明focal loss的有效性，作者设计了一个dense detector：RetinaNet，并且在训练时采用focal loss训练。实验证明RetinaNet不仅可以达到one-stage detector的速度，也能超过现有two-stage detector的准确率。

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依赖知识

a) 熟悉典型目标检测技术R-CNN系列，SSD，YOLO V1/V2等

b) 熟悉困难样本挖掘技术OHEM

简介

目前最先进的目标检测是基于two-stage和提议框驱动机制。最广为人知的R-CNN框架，first stage是生成稀疏的候选对象位置；second stage使用卷积神经网络对候选对象位置分类。two-stage框架一直在COCO数据集上由最高的准确率。

一个自然的想法one-stage检测器是否能达到类似的准确率。one-stage检测器通常在位置、尺寸、长宽比上有规律的密集采样。one-stage检测器如YOLO,SSD，也有比较令人期待的结果，相对于最先进的two-stage方法，其检测精度在10-40％之间，检测速度更快。

本文更进一步：使用one-stage检测器，第一次在COCO AP上媲美了更复杂的two-stage技术(如：FPN，Mask-RCNN)。并证明了类别不均衡是阻碍one-stage检测器达到two-stage检测器最好的精确率的主要障碍；并提出一个新的损失函数消除这个障碍。

R-CNN系列检测器通过two-stage级联和启发式采样解决这个问题。在候选框产生阶段(如：Selective Search, EdgeBoxes, DeepMask，RPN)将候选的对象迅速的减少到1~2k个，过滤的大部分背景样本。在第二个阶段分类中，启发式采样(如：正负样本比1：3)或者OHEM；来保持正负样本的平衡。

作为比较，one-stage检测器需要在图片上有规律的采样来产生一个大得多的候选对象集。实际上通常约~100k个，密集的空间位置、尺寸和长宽比。类似的启发式采用也会使用，但是没有效果，训练过程还是被易分类的背景样本主导了。这种无效在对象检测中是一个典型问题，可以通过booststrapping或者困难样本挖掘来解决。

本文提出一个新的损失函数，在解决类别不均衡问题上比之前的方法更有效。损失函数是动态缩放的交叉熵损失，其中缩放因子随着对正确类别的置信度增加而衰减到零(如图Figure 1)。直观地说，这个缩放因子可以自动降低训练过程中简单样本的贡献，并快速将模型集中在困难样本上。实验发现，Focal Loss在one-stage检测器上的精确度胜过之前的state-of-art的启发式采样和困难样本挖掘。最后，focal loss的具体公式形式不是关键的，其它的示例可以达到类似的结果。

我们设计了一个名叫RetinaNet的one-stage对象检测器来说明focalloss的有效性，RetinaNet命名来源于在输入图像上的密集采样。它基于ResNet-101- FPN主干网，以 5fps 的运行速度下，在 COCO test-dev 上取得了 39.1 AP 的成绩，Figure 2 所示，超过目前公开的单一模型在 one-stage 和 two-stage 检测器上取得的最好成绩。

相关工作

典型对象检测器

在密集图像网格上使用滑动窗口的模型，由很长远和丰富的历史。最早成功的是使用卷积神经网络做手写体识别和使用boosted对象检测器做人脸识别；导致后来广泛使用此类模型。HOG 和积分通道特征(integral channel features)在行人检测上是有效的方法。DPMs 将密集类检测器扩展到更一般的对象类别，并在PASCAL [7]上取得了最佳结果多年。虽然滑窗方法是经典计算机视觉领域的领先检测模型，但随着深度学习的复兴，接下来描述的two-statge测器迅速主导了目标检测领域。

Two-stage检测器

two-stage方法主导了对象检测。Selective Search作为先驱，在first stage生成一个稀疏的候选框集合，这个集合包含所有的对象，同时过滤了大部分的背景；second stage分离器对候选框做分类。R-CNN将second stage改为卷积神经网络大幅提升了精确度，开启了对象检测的新纪元。之后几年R-CNN有很多提升：包括速度和使用神经网络学习来产生候选框.Faster RCNN的Region Proposal Networks (RPN)将second-stage简化为一个卷积神经网络。很多扩展的框架提出来了，如：特征金字塔、OHEM、Beyond Skip Connections: Top-Down Modulation for Object Detection、ResNet、Mask R-CNN等。

One-stage检测器

OverFeat是第一个基于DNN的one-stage对象检测器。还有最近的SSD/DSSD、YOLO
V1/YOLO 9000。这些方法在速度上有优势，但是精确度上比two-stage要差。SSD
的AP值要低10~20%，YOLO更加关注速度(见图Figure 2)。最近研究表明two-stage可以通过减小图片的分辨率和减少候选框数量来提升速度；但是one-stage即使增加计算量也无法提升精度。作为比较，我们的目标是弄明白one-stage检测器是否可以在精确性上匹配或超过two-stage检测器，同时还能有更快的速度。

RetinaNet 的设计与之前的稠密类检测器有很多类似的地方，尤其是在RPN和SSD集FPN中使用的anchors的概念。需要强调我们的简单检测器能有最优的效果是基于新奇的损失函数，而不是网络结构的创新.

类不均衡

经典的one-stage对象检测方法，如boosted detectors(Rapid object detection using a boosted cascade of simple features、积分通道特征)和DPM，以及最近的SSD都在训练的时候面临大的类别不均衡。这些检测器一般在每张图片产生1w~10w个候选框，但仅仅少量候选框有对象。这种不均衡导致两个问题：

• (1)大量易分类的负样本对学习没有贡献有价值的信息；
• (2) 连带的，易分类负样本压垮训练，导致模型退化。通常的解决方法是使用困难样本挖掘来采样困难样本，或者更复杂的采样/加权模式(Loss maxpooling for semantic image segmentation)。作为比较，我们的提出的focal loss非常自然的解决了one-stage检测器遇到的类别不均衡问题，使得可以高效的训练所有的样本，而不需要采样，也没有出现易分类负样本压垮损失函数和计算梯度。

鲁棒性估计

设计一个鲁棒的损失函数来减少outliers-异常样本(有很大的误差值，即困难样本)对损失函数的贡献权重非常受关注(如Huber loss)。相比之下，我们的focal loss是通过减少易分类样本(inliers)权重来解决类别不均衡问题，这样易分类样本对于损失函数的贡献总量很小即使样本量非常大。也就是说，focal loss是相反的作用的一个鲁棒损失函数：关注少量困难样本。

Focal Loss

a) 对于二分类标准的交叉熵损失函数如下
$CE(p,y)=\{\begin{array}{l}-log(p)ify=1\\ -log(1-p)otherwise.\end{array}(1)$
$y \in { \pm1} $
代表正负样本(即前景/背景)
$p\in [0,1]$是模型预测y = 1 概率值

b) 如果定义如下的$p_t$
$p_t=\{\begin{array}{l}pify=1\\ 1-potherwise,\end{array}(2)$

则公式可以简写为：

​ $CE(p,y)=CE(p_t)=-log(p_t)$

c) 需要提一点：如图Figure 1最上面的曲线，易分类的样本会导致损失函数增大很多。通过对大量易分类损失值求和，发现它们远远大于稀有样本(rare class)的值。

平衡交叉熵

一般解决类不平衡的方法是增加一个权重因子α ∈ [0, 1]，对于类别1为α，对于类别-1为1-α；实际使用中α可以设置为逆类别频次或者作为交叉熵的一个超参数。为了书写方便，使用$p_t$类似的方式定义${\alpha }_t$

​ $CE(p_t)=-{\alpha }_{t}log(p_t)$

这种损失是交叉熵的一个简单的扩展，可以认为这是我们提出的focal loss的实验性基线。

Focal Loss定义

实验证明，大的类别不均衡在密集型检测器训练中会压垮交叉熵损失函数。易分类负样本占了损失函数大部分，支配了梯度。α平衡正负样本的重要性，但是没有区分难易样本。我们提出改进损失函数降低易分类样本权重，聚焦于困难负样本的训练。

正式的提出了增加一个调节因子 $(1-p_t{)}^{\gamma }$

到交叉熵中，γ ≥ 0是可调节的聚焦参数；focal loss定义如下：

​ $FL(p_t)=-(1-p_t{)}^{\gamma }log(p_t).(4)$

在图Figure 1中展示了γ ∈ [0, 5]不同值时focal loss曲线。注意focal loss的两个属性。(1) 当样本误分类且$p_t$很小时，调节因子解决1，损失函数没有影响。当$p_t$接近1，调节因子趋于0，损失函数的权重对易分类样本降低。(2) 聚焦参数γ平滑的调节易分类样本权重降低的比率。当γ = 0，FL等价于CE; 调节因子的影响随着γ增大而增加(实验中γ = 2效果最好)。

直观的，调节因子降低易分类样本的权重，并扩展的样本低损失值的区间。例如：γ =
2，易分类样本$p_t$=0.9，比CE的损失函数值小100倍；如果$p_t$≈0.968，则小1000倍。也增加了纠正错分类样本的重要性。

实际上，我们使用一个α-平衡变量。因为这种形式可以轻微的提升精确性。最终，在损失函数层组合sigmoid操作计算p,获取更好的数值稳定性。

​ $FL(p_t)=-{\alpha }_t(1-p_t{)}^{\gamma }log(p_t).(5)$

实验结果表明focal loss的具体形式不是关键，其它示例的形式也同样有效

类别不均衡和模型初始化

二分类模型默认对y = −1 或 1有相同的概率。在类别不均衡的情况下如此初始化会导致训练的初始阶段时候不稳定。我们通过稀有类别的估算p值,并提出一个概念：先验prior。我们用π来表示先验，并将其设置为使得模型对于稀有类别样例的p值估计很小(如：0.01)。这只是模型初始化的改变，不是损失函数本身。我们发现这个改变在类别不均衡时对于模型训练的稳定性有提升，不管是使用交叉熵还是focal loss损失函数。

类别不均衡和Two-stage检测器

Two-stage检测器一般使用交叉熵损失函数，并没有α-平衡参数或者我们提出的focal loss。它们通过通过两个机制来解决类别不均衡：(1) two-stage级联，(2)倾斜的微批采样。第一个级联阶段时对象提议框机制，将几乎无限的对象定位迅速减少到1~2k。重要的是不是随机减少，保留的都是跟真实对象位置相关很高的，大量的易分类负样排除了。第二阶段使用倾斜采样，例如正负样本1:3。这个比例就像通过采样隐式的实现α-平衡参数。我们提出的focal loss通过损失函数的方式在one-stage中实现了这些机制。

RetinaNet 检测器

RetinaNet是由一个主干网和两个任务子网络组成的简单同一网络。主干网使用卷积神经网络负责从整个图片提取特征，是一个现成的网络。第一个子网络使用卷积分类，第二个子网络使用卷积来边框回归。两个子网络是我们为one-stage密集型检测而提出的简单设计(如图Figure 3)。虽然这些组件的细节有许多可能的选择，但大多数设计参数对实验中所示的具体值并不特别敏感。

特征金字塔主干网

使用特征金字塔(FPN)作为RetinaNet的主干网。FPN给标准的卷积神经网络增加一个自顶向下的路径和侧向连接，来从图片的单一分辨率构建一个丰富的、多尺度的特征金字塔。金字塔的每一层以不同尺寸检测对象。FPN 改善了全卷积网络的多尺寸预测。

我们在ResNet结构上构建FPN，在P3~P7层上构建金字塔，l代表金字塔层级，金字塔每层都有256个通道。金字塔的具体实现与原本的FPN有小的差异。这些都不是关键的，需要强调的是使用FPN作为主干网的原因是，实验发现只使用ResNet层，最终AP值较低。

Anchors

使用类似RPN中具有平移不变性的anchor boxes。从P3到P7层的anchors的面积从32*32依次增加到512*512。每一层的anchors有三种长宽比{1:2,
1:1, 2:1}.为了更加密集的覆盖在每层的三种长宽比增加如果尺寸$\{2^0,2^{1/3},2^{2/3}\}$；这样每层有9个anchors，通过不同层覆盖了输入图像 32~813 像素区间。

每个anchor关联一个K维独热向量，K是对象的类别数；和一个4维向量做边框回归。当IOU大于0.5时，anchors和GT关联；IOU在[0, 0.4)作为背景；每个anchor最多关联一个GT；在K维向量中，关联的类别值为1，其它都为0。IOU在[0.4, 0.5)之间的anchorsd丢弃。边框回归就是计算anchor到关联的GT之间的偏移。

分类子网络

分类子网络预测每个anchor上K个类别的概率。子网络是附加在FPN的每一层的一个小的FCN；参数共享。网络设计非常简单(见图Figure 3 ©）：对于给定的金字塔层级输出的C个通道的Feature Map，子网络使用4个3×3的卷积层，每层的通道数任然是C，接着是一个ReLU激活层；然后跟一个通道数位KA(K是类别数，A是anchor数)的3×3的卷积层；最后使用sigmoid激活函数。

与RPN相比，我们的分类子网络更深，并且只使用了3×3卷积；没有和边框回归子网络共享参数。高层的设计比具体的超参数值要重要。

边框回归子网络

与分类子网络并行的，在FPN的每一层附加一个小的FCN用于边框回归。边框回归子网络和分类子网络设计是一样的(见图Figure 3 (d)），唯一不同最后一层通道数是4A个。边框回归的方法与RCNN的边框回归一样。不同于大多数设计，我们使用类别无关的边框归回，参数更少，同样有效。分类子网络和边框回归子网络共享结构，参数独立。

训练

Focal Loss

分类子网络使用focal loss损失函数。实验发现γ = 2效果最好，鲁棒区间是γ ∈ [0.5, 5]。需要强调的是，训练RetinaNet,最终每张图片在损失函数上应用的~100k个anchors。通常启发式采样(RPN)或者困难样本挖掘(OHEM,SSD)在每个minibatch都只选择很少的anchors(如：256)。一张图片上FL损失函数值是所有~100k
anchors的总和，根据关联GT的anchors个数标准化，而不是anchors的总数；因为大部分anchors是易分类负样本,在FL下损失值非常小。

关联稀有类别的权重参数α，也有一个稳定的区间，但是与γ值互相影响；通常α随着γ的增大而轻微减少（γ = 2, α = 0.25效果最好）。

初始化

    a) 实验中使用了ResNet-50-FPN和ResNet-101-FPN主干网。

    b) 基础的ResNet-50和ResNet-101在ImageNet1k数据集上预训练。

    c) FPN增加的层与原FPN论文中一样。

    d) 所有新增的卷积层(除了子网络的最后一层)初始化权重为 σ = 0.01的高斯分布，偏置为0

    e) 分类子网络最后一层偏置为− log((1 − π)/π)；π为前景的置信度估算值，实验中使用π = 0.01。

优化过程

    a) 在8GPU的机器上使用SGD, 每个minibatch 16张图片。

    b) 一共训练90k个迭代；初始学习率0.01；在60k和80k个迭代是学习率减小10倍

    c) 数据增广只使用了水平翻转

    e) 权值衰减0.0001；冲量大小0.9

    f) 边框回归使用L1损失函数 

    g) Table 1e中的模型训练时间在10\~35小时之间(见）

预测

     RetinaNet是一个FCN有ResNet-FPN主干网和两个子网络组成（见图Figure

3）。预测过程就是简单的前向传播。为了提升速度，通过置信度阈值0.05，仅仅对每个FPN层最多top
1k的anchor做边框回归；然后使用阈值0.5做NMS产生最终结果。

实验

平衡交叉熵

Table 1a表明α-平衡交叉熵在α=0.75时可以提升AP值0.9(注意不带平衡参数时α=0.5）。

Focal Loss

 a) Table 1b表明了focal loss的影响。当γ = 2 时FL可以提升AP值2.9个点。

 b) 最佳的α值区间是[0.25,0.75]

 c) 较小的α值与较大的γ搭配

Focal Loss分析

为了弄明白FL为什么更好，我们分析FL的经验分布。在大量随机图片中采用约$10^7$个负样本和$10^5$个正样本；随后计算FL值，并归一化。对归一化的FL值排序并分别画出正负样本的累积分布函数图。

a)20%的困难正样本贡献了约一半的损失值；当γ增加时，20%的贡献度更加明显；但是影响不是很大。

b) γ对于负样本的影响完全不同；γ =0时CDF与正样本类似；当γ增加时，迅速的聚焦于困难负样本，当γ=2时，大量的易分类负样本仅仅贡献了少量损失。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-q5jqIhvd-1575810299461)(pic/RetinaNet-fig4.jpg)]

在线困难样本挖掘(OHEM)

OHEM中所有样本经过计算损失值，然后使用NMS过滤，最后在minibatch时选择损失值最大的那些样本。OHEM关注误分类样本，不同于FL,OHEM完全忽略的易分类样本。如Table
1d所示，最好的OHEM与FL有3.2点AP差距。

Hinge Loss

先前使用中尝试对$p_t$使用Hinge Loss；对$p_t$值大于某个阈值的样本，损失函数置为零。但是训练过程不稳定，并且也达不到有价值的效果。

Anchor密度

one-stage检测器的anchor密度到底多少才能覆盖任意图像边框。Two-stage检测器通过Region Pooling(ROI Pooling)可以对边框的任何位置、尺寸、长宽比归类（原文：Two-stage detectors can classify boxes at any position, scale, and aspect ratio using a region pooling operation）。相比之下，one-stage 检测器使用一个固定的采样网格，一个常用的方法是在每个空间位置使用多个anchors来覆盖不同的尺寸和长宽比边框。

我们在FPN每一层的每个空间位置使用不同个数的尺寸和长宽比anchors。在ResNet-50从使用1个方形anchor到12个anchors(尺寸为$2^{k/4}$ ,

k ≤ 3,长宽比为 [0.5, 1, 2]，见Table 1c）。令人惊讶的是只使用1个anchor情况下AP就有30.3；当使用3中尺寸和3中长宽比时可以到达34.0。

最终，我们发现再增加6~9个anchors也没有更多的提升。虽然two-stage检测器可以识别图片中任意的边框；性能的饱和度w.r.t. 密度意味着较高潜在密度的two-stage系统的可能不具有优势。

速度VS准确率

a) 更大的主干网有更好的准确率，但速度更慢；输入图像的尺寸也是如此;见Table 1e。

b) 图Figure 2 展示RetinaNet和其它方法在速度/精度的比较；RetinaNet
使用FL超过所有的方法，打破低精度的限制。ResNet-101-FPN在600像素尺寸时的精确度超过ResNet101-FPN
Faster R-CNN，同时检测时间为122ms，Faster R-CNN为172ms。

c) 追求速度需要特殊的网络设计如Yolo 9000。

总结

类别不均衡是导致one-stage检测器超越two-stage检测器的主要障碍。我们提出 focal
loss在交叉熵损失函数中使用一个调节项来聚焦于困难负样本。方法简单有效。通过一个one-stage的FCN检测器在速度和精度同时达到stage-of-the-art。