【论文研读】【目标检测】Revisiting Open World Object Detection

本文对开放世界目标检测任务进行重新梳理，并提出了两种新的衡量指标
针对CEC模块存在理解问题（文中红色问号处）

Revisiting Open World Object Detection

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发表于 Computer Vision and Pattern Recognition 2022/01/04

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Introduction

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(1) 概要

• 领域：目标检测
• 行文目的：OWOD的实验设置不合理（benchmark不合理、度量标准不合理、研究方法不合理）
• 贡献：
  • （1）提出了5条基本原则，用以指导OWOD的基准建设
  • （2）设计了2种公平的评价指标

(2) OWOD

• closed set object detection（传统意义上的目标检测）
  • 只需检测出已知的类别
  • 推理阶段也只针对已知类别的检测性能进行评价
  • 未知类别的目标可以直接忽略，或者误分类为已知类别
• open world object detection（考虑未知类别）
  • OWOD任务包括多个增量子任务
  • 每个子任务中，训练阶段：模型仅在已知类别上做训练；测试阶段：模型需正确检测出所有已知类别，针对未知类别需分类为“unkown”
  • 人类标注员针对检测出的未知类别进行手工标注，再进入下一个增量子任务（下一次任务中就增加了新的类别标签）
    

(3) 存在问题及改进

i. 存在问题：（OWOD概念在《Towards open world object detection》中首次提出）

• 基准不合理
• 度量不合理
• 方法不合理
  ii. 改进：（本文思路）
• 提出5项基准原则，用以指导OWOD基准建设
• 提出2项衡量指标 Unknown Detection Recall (UDR)、Unknown Detection Precision (UDP)，更有利于衡量未知类别的检测性能
• 提出1种简单有效的OWOD框架，包含Proposal ADvisor (PAD)模块、Class-specific Expelling Classifier (CEC)模块，解决未知类别与背景、已知类别间的难区分问题：
  • PAD模块：
    • 无参的模块
    • 协助PRN确认未知类别的proposal，引导RPN从背景中识别出未知类的proposal
  • CEC模块：
    • 标定over-confident activation boundary
    • 通过 class-specific expelling function，过滤掉不确定的预测结果，避免将未知类别分类到已知类别

(4) 本文贡献

• 总结出5条OWOD基准原则
• 提出2项OWOD评价指标
• 提出一个简单有效的OWOD框架，包含PAD、CEC
• 实验论证了本文提出的OWOD框架在原有指标及新提出的指标上的有效性

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Rethinking OWOD

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(1) 五原则

• 类别的开放性（Class Openness）：
  • 已知类别的集合记为 $\mathcal{K}$
  • 未知类别的集合记为 $\mathcal{U}$
  • $\mathcal{K}\cap \mathcal{U}=\varnothing$
  • 训练阶段：仅有$\mathcal{K}$参与训练
  • 测试阶段：测试集中包含$\mathcal{K}$ 和 $\mathcal{U}$
• 任务的递增性（Task Increment）：
  • 前一个个子任务完成后，标注员会介入进行未知类别的人工标注，因此类别数会递增，任务也会呈现递增性
  • 在task t阶段：已知类别为 ${\mathcal{K}}_t$，未知类别为 ${\mathcal{U}}_t$
  • 在task t+1阶段：原 ${\mathcal{U}}_t$ 中的 ${\mathcal{U}}_t^{(k)}$ (${\mathcal{U}}_t^{(k)}\in {\mathcal{U}}_t$)，对 ${\mathcal{U}}_t^{(k)}$ 进行标注后，并入已知类别中，${\mathcal{K}}_{t+1}={\mathcal{K}}_t\cup {\mathcal{U}}_t^{(k)}$
  • 重复上述操作，直至未知类别集合为空
• 标注的特异性（Annotation Specificity）：
  • 标签：$Y=[L,B]$，其中Y为类别，B为边界框
  • 训练、验证阶段：仅有已知类别参与训练
  • 测试阶段：未知类别也参与测试，L赋值为“Unknown”
  • 原OWOD未遵循此原则，使用了包含未知标签的验证集来训练
• 标签的完整性（Label Integrity）：
  • 测试集中的标注信息应当完备，即所有对象（包括未知类别）在测试集标签中均应标注清楚
  • 例如PASCAL VOC的测试集中仅标注了已知的20个类别，对未知类别未标注
    
• 数据的特异性（Data Specificity）：
  • 训练集、验证集、测试集之间不允许有交集
  • 每个数据集中不能有重复样本
  • 否则，会影响评价结果
    

(2) 原始的ORE原则和本文的5原则对比

使用5原则对COCO数据集进行修改：

(3) 新的评价指标

OWOD任务存需解决的关键难点：

• i）需从背景中识别出未知对象
• ii）需将未知对象与已知对象作区分，确保不能将未知对象错误识别为已知的某个类别
  原评价指标不能完全评价OWOD的性能：
• standard mAP: 衡量分类性能
• WI、Absolute Open-Set Error（A-OSE）衡量检测未知类别的性能
• 其中，WI不能直接应用于OWOD任务中。
  本文提出2个新的评价指标：
• UDR（Unknow Detection Recall）:
  • 衡量未知对象的定位精度
  • $\mathrm{U}\mathrm{D}\mathrm{R}=\frac{{\mathrm{T}\mathrm{P}}_u+{\mathrm{F}\mathrm{N}}_u^{\ast }}{{\mathrm{T}\mathrm{P}}_u+{\mathrm{F}\mathrm{N}}_u}$
  • $T{P}_u$: true positive proposals of unknow classes
  • $F{N}_u$: false negative proposals of unknow classes
  • $F{N}_u^{\ast }$: the number of ground-truth boxes recalled by misclassified predicted bounding boxes
• UDP（Unknow Detection Precision）:
  • 衡量未知对象的分类精度
  • $\mathrm{U}\mathrm{D}\mathrm{P}=\frac{{\mathrm{T}\mathrm{P}}_u}{{\mathrm{T}\mathrm{P}}_u+{\mathrm{F}\mathrm{N}}_u^{\ast }}$
    

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Method

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(1) PAD（Proposal ADvisior）模块

未知样本标签的缺失，导致RPN很难生成未知样本的proposal，因此本文添加了PAD，辅助RPN针对此类proposal生成。

i) 对RPN的未知proposal结果进行再确认

• RPN获得高分的negative proposal，有可能是被错误分类为背景的未知样本的proposal，记为$P^{(u)+}$
• $P^{(u)+}$可能包含未知样本的proposal，同时可能包含背景
• advisor的实现：选择性搜索(Selective Search)算法
  • 步骤一：使用《Efficient Graph-Based Image Segmentation》论文里的方法产生初始的分割区域
  • 步骤二：相似度计算后将小的区域进行相互合并
  • 重复步骤一、二
• 确认阶段:
  • RPN 输出：$P^{(u)+}$； advisor 输出： $\mathbf{P}+$
  • ${\overline{\mathbf{S}}}_i={\mathbf{S}}_i\times \mathcal{I}\left\{{\max }_{1\le j\le |{\mathbf{P}}^{+}|}\left(\mathrm{IOU}\left({\mathbf{P}}_i^{(u)+},{\mathbf{P}}_j^{+}\right)\right)>\theta \right\}$
    • IOU 大于阈值，表示advisor和RPN均认为该区域是positive proposal

ii) 指导未知类别定位任务的无监督训练过程

• 获取到精确的proposal后，将对应类别确认改为“前景”
• 将对应Anchors从negative anchor set中移动到positive anchor set中
• 将新的anchor set 输入到RPN的分类器中，计算损失：${\sum }_{\mathbf{a}\in \mathcal{A}+\cup {\mathcal{A}}^{(u)+}}\mathrm{BCE}(f(\mathbf{a}),1)+{\sum }_{\mathbf{a}\in {\mathcal{A}}^{-}\backslash {\mathcal{A}}^{(u)+}}\mathrm{BCE}(f(\mathbf{a}),0)$

(2) CEC（Class-specific Expelling Classifier）模块

• 问题：未知类别的对象有可能被预测为已知的某类，且赋予较高的置信度
• 解决：Class-specific Expelling Classifier模块
  • CEC模块会淘汰掉错误预测为已知类别的对象
  • $\Phi \left({\overline{\mathbf{L}}}_i^c\right)={\overline{\mathbf{L}}}_i^c-\alpha \times \frac{1}{M}{\sum }_j^{|\mathbf{B}|}{\sum }_k^{|{\mathbf{B}}^c|}\left[\mathcal{I}\left(\mathrm{IOU}\left({\mathbf{B}}_j,{\mathbf{B}}_k^c\right)>\phi \right)\times {\mathbf{L}}_i^c\right]$ ？？？
  • 其中，$\mathbf{Y}=[\mathbf{L},\mathbf{B}]$ 为ground-truth
  • $\overline{\mathbf{Y}}=[\overline{\mathbf{L}},\overline{\mathbf{B}}]$ 为在测试集的预测结果
  • $\mathbf{L}=[\mathbf{L},\mathbf{B}]$ 为训练集上的预测结果（原文为training images）?

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Experiments

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(1) 实验设置

• 算力：8 * Tesla V100
• 模型：标准Faster-RCNN，backbone网络为ResNet-50
• 4个递增任务
• batch_size: 8, optimizer: SGD(lr=0.01, momentum=0.9, weight_decay=0.0001)
• task1：迭代次数 90k
• task2-task4：迭代次数 [52k, 40k, 41k]，fine-tuning迭代次数 [4k, 2.5k, 3k]
• RPN的unknow proposals 选前top-50
• advisor的proposals 选前top-50
• advisor的超参$\theta =0.7$
• CEC的超参 $\varphi =0.9$ 、$\alpha =0.5$

(2) 实验结果

• Faster-RCNN
• Faster-RCNN + finetuning
• ORE
• ORE*, 不包含 annotation-leakage EBUI的ORE
• Oracle detector 可认为是OWOD的性能上限
  
  结果分析：
• WI指标，体现了本文模型对已知的类别检测性能影响最小
• mAP指标，体现了本文模型在上阶段与当前阶段的任务中，对已知类别检测性能都很好，证明了增量学习的能力
• Faster-RCNN虽然在当前任务上性能好，但对先前的预测结果较差，不符合增量学习要求
• UR、UDP、UDR指标，体现了本文模型能从背景中区分出未知类别的对象，并避免错分为已知类别
  

(3) 消融实验

论证了各模块的有效性

i) 针对PAD的实验

ii) 针对CEC的实验

不同超参下的性能对比

• $\alpha$ 的增加，会让预测精度提升，但会损伤召回率