【论文阅读笔记】Multi-Scale Structure-Aware Network for Human Pose Estimation

论文地址：https://arxiv.org/abs/1803.09894

论文总结

  本文的主要贡献是提出了一种结构损失的损失函数，将几个物理相连的肢体关键点连接起来，用于人体姿态估计。肢体是我们所认知的人体结构先验，本文将其利用了起来。可以利用身体结构先验，从可见关键点得到不可见关键点的线索。
  本论文的改进了目前的深层conv-deconv的 hourglass 模型，有四点改进：（1）多尺度监督想法的实践，通过结合跨尺度的特征heatmaps来加强身体关键点的上下文信息；（2）多尺度回归网络，对多尺度特征的结构匹配进行全局优化；（3）结构感知损失（structure-aware loss），用在中间监督和回归中，用于改进关键点和其领域关键点的匹配，从而推断出高阶的结构匹配；（4）关键点masking 训练方案，可有效地增强被遮挡关键点的鲁棒性，通过相邻匹配。这些改进，有效地在当时提升了算法的尺度变化、遮挡和多人场景存在的问题。

  本文的整体网络由两个网络组成：多尺度监督网络（multi-scale supervision network，MSS-net）和多尺度回归网络（multi-scale regression network）。其中MSS-Net，使用layer-wise loss在每个deconv上，以监督各个layer上的scale-specific特征。其实就是多尺寸监督，而不是hourglass论文使用的相同尺度的监督，用于学习多尺寸特征。MSR-Net，将来自MSS-Net的多个多尺度keypoint heatmap输出给stacks起来，以得到一个全局关键点回归。

  本文的网络结构入下图所示。前面是堆叠的MSS-Net，后面使用MSR-Net回归关键点。应该是在MSS-Net使用结构损失，作者的假设是MSS-Net的输出很可能不是高斯的响应，可能对应多个关节点，这是Hourglass的缺陷问题。在此同时，在MSS-Net的每个deconv上都是用layer-wise的中间监督。

论文介绍

  当时最新的hourglss更趋向于过拟合某个特定尺寸，本文介绍的方法可以改善尺寸不稳定问题，利用多尺寸的监督和结合多尺度特征的预测。作者的假设是，在MSS-Net的后面使用结构损失作为中间监督，在MSS-Net的每个deconv上使用多尺寸监督，这样子，在MSR-Net上就可以得到所有尺度的heatmap，就有了全局一致的姿态。这样的MSR-Net不仅匹配了单独的关键点，也匹配了相邻关键点的成对一致性。

  低分辨率产生的heatmap可以相当于高分辨率的attention，如下图所示，可以供以指导refine的方向。这应该也是MSR-Net后面多尺寸监督再concat起来的思想的来源。下图中，a为各尺度下的heatmap，b为上采样heatmap的变化，可看到相对于尺度变化，其heatmap响应值变化更集中，这也增加了准确率。c为对应的人类骨骼拓扑图。

  多尺度监督的损失$L_{MS}$，就是所有尺度上的$L_2$损失的和：$$L_{MS}=\frac{1}{N}\sum _{n=1}^N\sum _{x,y}\Vert P_n(x,y)-G_n(x,y){\Vert }_2$$

  下图是各个结构的某关键点的输出。a是MSS的关键点预测，b是对应a预测的MSS的heatmap，c是MSR的关键点，d是对应MSR的heatmap。

  当网络较深的时候，会出现梯度消失现象，可以使用中间监督来缓解。本文设计出了结构损失，其借鉴来源于人体骨骼拓扑结构，将人体骨骼结构中物理相连的关键点结合起来作为连接的关节点。结合起来的关键点设计如下图所示，有三元关键点结合（手臂和腿部，骨盆可以先不三元）和两元关键点结合。

  损失函数就变得如下面公式所示，在两个地方使用结构损失：（1）在MSS-Net中作为中间监督，去强迫使用全局信息定位局部关键点；（2）MSR-Net寻找全局的姿态配置。下面的公式中，$N$为关键点的数量，$P_n$表示为单独的关键点，$P_{S_n}$表示与此点连接的关键点对。$$L_{MS}=\frac{1}{N}\sum _{n=1}^N\Vert P_n^i-G_n^i{\Vert }_2+\alpha \Vert P_{S_n}^i-G_{S_n}^i{\Vert }_2$$

  在训练的时候，作者开发了新的关键点masking数据增强方案来增加训练网络的遮挡能力，关键点的遮挡是影响姿态估计性能的一个重要方面。如下图所示，有几种不同的遮挡：被东西遮挡、自遮挡、被其他人遮挡。(a)表示左手腕被遮挡住了，但可以通过可见关键点的连接结构来估计左手手腕的关键点定位。©表示如果有其他人考的比较近，也会造成很大的麻烦。在这种情况下，传统的数据增强方法，如常用的flip、随机裁剪、颜色抖动等都是无效的。为解决这一问题，作者提出了一种关键点masking方法，通过在图片上复制和粘贴关键点的贴片(patches)来增强数据，如下图(d)所示，其主要思想是生成关键点遮挡的训练样本和人工插入的关键点，从而有效提高网络对这些极端情况的学习能力。

  两种生成关键点遮挡样本的方法：（1）如上图(b)，复制背景的patch放在一个关键点上，这能有效模拟关键点遮挡；（2）如上图(d)所示，复制身体关键点patch在人体附近的北京和是哪个，模拟多人存在的情况。但这种数据增强会导致多个相同的关键点patches，所以成功的姿态估计方法必须依赖于某种结构推理和知识。

实验和分析

  训练的时候，先用$5e^{-4}$的学习率训练MSS-Net$150$个epoch，当性能不再增长的$8$个epoch后降低$5$倍学习率训练。在训练MSR-Net时，需要固定MSS-Net的参数进行训练。最后，用Keypoint Masking 训练75个epochs。输入图片通过crop后，采用$256\ast 256$的像素输入。

  在FLIC数据集与Graphical model、CPN、Hourglass的对比：

  在2018年3月15日的时候，与当时最好的模型，在MPII上的对比。