【目标检测】Objects as Points

概述

本文是一个anchor-free的目标检测算法。
【2019】【CenterNet】
研究的问题：

• 如何更好地将目标检测问题建模为关键点检测问题

提出的方法：

• 一个简单高效的目标检测方法CenterNet。简单：彻底的端到端（不需要NMS后处理），整体流程就是关键点预测+相关参数回归，高效：不需要预先设置anchor，速度精度都超过了基于anchor的方法。

细节

anchor-base vs anchor free

anchor-base的流程：一阶段：预设大量的anchor，然后直接回归位置、尺寸和类别信息，选出其中达到要求的边界框作为预测框，然后使用NMS剔除重复的预测框。两阶段：预设大量的anchor，然后通过一个网络回归位置、尺寸和类别信息（包含物体的正例/不包含物体的负例），选出其中的正例作为候选框，然后再使用一个网络提取候选框特征，对候选框进行微调，得到检测框。总结：就是一个滑动窗口的思路，在图像中设计大量的anchor，然后在anchor中找到满足要求的检测框。而我们都知道一般一张图像中的目标是很有限的，所以基于anchor的方法会存在严重的正负样本不均衡问题，所以一阶段方法最开始预测框的数量不多，精度不够，直到后面出现了focal loss，而两阶段方法通过RPN网络大大减少负样本的数量。
anchor free的流程：类似于一阶段方法，结构都是特征提取网络+检测头。

anchor free和one-stage的区别：

• 仅仅使用位置区别正负样本，而非IOU
• 每个物体对应一个正样本，所以不需要NMS去重了
• 特征图的尺寸特别大（输出分辨率的下采样因子比较小），所以不需要多种不同的anchor了（每个像素只对应一个点的类别以及相关参数，一阶段方法中每个像素会对应多个anchor的类别以及相关参数）

网络结构

流程比较简单，就是特征提取网络+3个检测头

• 输入图像尺寸为$W\ast H\ast 3$
• 经过特征提取网络得到特征图
• 第一个检测头的输出是关键点热力图，尺寸为 $\frac{W}{R}\ast \frac{H}{R}\ast C$，其中R是下采样因子这里会比一般检测器的因子小（论文中是4），C是类别数，如coco数据集的80。表示当前点作为中心的边界框的类别概率分布。
• 第二个检测头的输出是尺寸的预测结果，尺寸为 $\frac{W}{R}\ast \frac{H}{R}\ast 2$，表示当前点作为中心的边界框的尺寸($w,h$)。
• 第三个检测头的输出是位置偏移量的预测结果，尺寸为 $\frac{W}{R}\ast \frac{H}{R}\ast 2$，表示当前点作为中心的边界框的中心偏移量($\Delta x,\Delta y$)。

注：
第三个检测头输出的是位置的偏移量，那基本的位置信息是？为什么需要预测偏移量？

特征图的当前位置映射回原图中的位置就是$(x,y)$。之前因为下采样的过程中是取整的，所以位置难免会有偏差，这个偏差就是由第三个检测头学习的，所以给第三个检测头的标签就是$(\frac{x}{R}-\lfloor \frac{x}{R}\rfloor ,\frac{y}{R}-\lfloor \frac{y}{R}\rfloor )$

为什么后面两个检测头输出通道数是2，而不是2C？

假设特征图中每个点最多对应一个目标，也就是原图像中目标的中心点不重合，且下采样之后依旧不重合，那么每个点就只需要对应一个尺寸、一个位置偏移就好了。
而不满足这个假设的数据在数据集中占据的比例非常的小，所以方案是合理的

标注

其实就是由边界框的坐标得到中心点的坐标以及宽高，然后下采样得到特征图上的坐标，对应位置的类别就是1，其余位置的类别就是0，然后把对应的尺寸以及偏移也填上去就好了。
这样做的话后面两个检测头是没有问题的，但是第一个检测头会有问题，就是对模型的要求太高了，作者用了一个高斯核将关键点分布到特征图上，其实也就是从关键点位置是1其余全部是0，变为了关键点位置是1点周围位置稍微小一点其余位置全是0，也就是在这个范围内的预测都能接受。

损失函数

损失主要是三部分，分别就是三个检测头的损失

其中第一个关键点热力图损失，采用的是修改了的focal loss
原来的focal loss是处理正负样本不均衡的交叉熵损失，因此类别只有0和1。原本关键点热力图的标签确实是0和1，但在引入了高斯核之后，就有中间的值了，作者在otherwise中添加了一项$(1-Y{)}^{\beta }$，如果原本的标签是0，这一项就没有用，而若是原本标签很大，就代表已经很接近关键点了，从而损失就比较小。

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