焕新老方法 BUTD？WiCo: Win-win Cooperation of Bottom-up and Top-down Referring Image Segmentation 论文阅读笔记

写在前面

  新的一周快结束了，继续撸代码，做实验中…，但是这周的博文还是继续来了呢~
  这篇文章标题很有吸引力，蕴含 2017 年一种用于 VQA 的很爆火的框架：Bottom-Up and Top-Down Attention for Image Captioning and Visual Question Answering，原因在于斩获了 2017 VQA challenge 的冠军，而后开创了两年的 follow。本篇文章不知道与 BUTD 有何关联呢？且听我慢慢道来。

• 论文地址：WiCo: Win-win Cooperation of Bottom-up and Top-down Referring Image Segmentation
• 代码地址：暂未提供，摘要说了将会开源
• 收录于：ICRA 2023

一、Abstract

  首先指出 top-down (自顶向下 TD) 和 bottom-up (自下而上 BU) 的方法是解决指代分割的两种主流方式，但同时都有缺陷：TD 由于缺少细粒度的多模态对齐会造成 Polar Negative (PN) 错误（？这是啥）；BU 由于缺乏目标的先验信息会造成 Inferior Positive (IP) 错误 （？这又是啥）。而这两种方法在解决错误上是互补的，但直接组合会阻碍模型推理。于是本文提出 Win-win Cooperation (WiCo) ，利用这两种方法的互补性在多模态的交互和整合上实现双向提升。对于多模态交互，提出 Complementary Feature Interaction (CFI) 来提供细粒度的信息到 BU 分支，用于互补信息增强。对于多模态整合，提出 Gaussian Scoring Integration (GSI) 来建模两个分支的高斯性能分布，并采用分布的置信度得分对整合的结果进行加权。实验结果表明 WiCo 效果很好。

二、引言

  首先说明 Referring image segmentation (RIS) 指代图像分割的定义。其次目前的方法可以分为两类：top-down (自顶向下 TD) 和 bottom-up (自下而上 BU) 。TD 首先计算由预训练的目标检测器得出的区域 proposals，然后和输入的语言 query 进行跨模态对齐，最后解码和检索出最高置信度得分的区域 proposal 作为分割结果。BT 方法计算每个像素和 query 间的细粒度跨模态对齐，然后解码出相关目标的像素。

  根据对上图的观察，TD 和 BU 的方法存在两类错误：Polar Negative (PN) ：预测与 GT 完全无关；Inferior Positive (IP) ：预测的 mask 与 GT 的重合度不高（$\text{IoU}\in [0.5,0.8]$）。
  为分析上述情况原因，绘制了 TD 和 BU 的 IoU 分布：

  将分布曲线划分为两部分：正样本集（IoU>0.5）和负样本集（IoU<0.5）。由于先验信息抑制了 IP 样本，所以 TP 的正样本集合精度比 BT 方法更高。但由于缺乏细粒度的跨模态对齐，TP 方法更容易输出 PN 样本。于是结合这两种方法的优势，理论上能够实现很好的效果。但是直接结合是不行滴，于是本文提出 Win-win CoopEration (WiCo) ，以一种自适应的方式结合 TD 和 BU 分支。
  WiCo 包含两个模块：Complementary Feature Interaction (CFI) 和 Gaussian Scoring Integration (GSI)。CFI 旨在执行两个分支间的交互，用于补偿 TD 分支中细粒度信息的缺乏以及 BU 分支中目标的先验信息。GSI 旨在建模 TD 和 BU 分支的高斯性能分布，通过在分布中采用置信度得分来整合两个分支的结果。本文贡献总结如下：

• 当面对 PN 和 IP 错误的情况下，通过分析一些 TD 和 BU 方法，发现这两种方法存在互补性。
• 提出 WiCo 来充分利用 TD 和 BU 方法的特点，在多模态交互和整合上进行互补。
• 大量的实验表明效果很好。

三、相关工作

Top-down 方法

  MAttNet、NMTree、CAC。

Bottom-up 方法

  Vision transformer (ViT) 等一系列工作。

四、方法

4.1 整体框架

  如上图所示，WiCo 能够兼容任意的 TD 和 BU 方法。其网络由三部分组成：TD 分支、BU 分支 和 “Interaction then Integration”。TD 分支用于部署 TD 方法，BU 分支用于部署 BU 方法，Interaction then Integration 是 WiCo 的关键，旨在建立 TD 和 BU 分支的联系来实现双向提升的效果。
  TD 类型的方法本质上是跨模态匹配网络。首先利用预训练的检测器和跨模态匹配网络得到实例 masks $\mathcal{M}=\{m^1\in \{0,1{\}}^{H\times W},m^2,...,m^n\}$、跨模态实例 embedding $\mathcal{E}=\{E_i^1\in {\mathbb{R}}^C,E_i^2,...,E_i^n\}$ 和跨模态对齐得分 $S=\{s^1,s^2,...,s^n\}$。一般情况下，TD 分支输出实例三元组集合 $\{\mathcal{M},\mathcal{E},S\}=\{(m^1,E_i^1,s^1),(m^2,E_i^2,s^2),...,(m^n,E_i^n,s^n)\}$，从这一集合提取出的分割结果 $P_{td}$ 可表示为：
$$P_{td}=m^{\text{argmax}(\mathcal{S})}\ast S^{\text{argmax}(\mathcal{S})}$$其中 $P_{td}$ 为分割的 logits 结果，二分类分割结果为 $m^{\text{argmax}}(\mathcal{S})$。
  BU 方法本质是跨模态融合网络，旨在编码图像和文本的跨模态像素 embedding 空间 $E_p\in {\mathbb{R}}^{C\times H\times W}$，并将其解码为分割结果 $P_{bu}\in {\mathbb{R}}^{H\times W}$，用公式表示为：
$$P_{bu}=\sigma (\mathrm{Linear}(E_p))$$其中 $\mathrm{Linear}$ 为 $1\times 1$ 卷积，用于 logits 的回归，$\sigma (\cdot )$ 为 sigmoid 函数，$P_{bu}$ 为生成的概率图，通过预测 $\tau$ 来提取分割结果（$\tau (P_{bu}>\tau )$）。一般情况下，BU 分支输出跨模态的像素 embedding 和分割结果。
  Interaction then Integration 旨在实现 TD 和 BU 方法的互补性融合。其中 BU 和 TP 分支的输出作为 CFI 的输入来更新特征和结果，而更新后的结果则输入到 GSI 中。

4.2 互补的特征提取 Complementary Feature Interaction (CFI)

假设已经从 BU 分支中得到像素 embedding $E_p$ 和实例三元组集合 $\{\mathcal{M},\mathcal{E},S\}$，CFI 旨在增强像素 embedding 的细粒度信息和实例三元组集合的目标信息。

用于 Bottom-up 的 Top-down

  为增强 $E_p$，将行像素 embeddings 赋值到每一个增强的实例 embedding $\hat{\mathcal{E}}$ 对应的像素上，生成增强的像素 embeddings ${\hat{E}}_p$：
$${\hat{E}}_p^{\{x,y\}}=\mathrm{concat}(E_p^{\{x,y\}};\sum _{j=1}^n{1}_{\{m^j[x,y]=1\}}{\hat{E}}_i^j)$$其中 $E_p^{\{x,y\}}$ 表示像素位置为 $(x,y)$ 处的增强像素 embedding，$E_i^j$ 为第 $i$ 个实例的增强实例 embeddings。$1_{\{m^j[x,y]=1\}}$ 为索引函数，当 $(x,y)$ 处的第 $j$ 个 mask 值为 1 时，其值等于 1，反之为 0。增强的像素 embeddings 之后被解码为新的 BU 结果：
$${\hat{P}}_{bu}=\mathrm{signoid}(\mathrm{Linear}({\hat{E}}_p))$$其中 $\mathrm{Linear}$ 共享上一个 $\mathrm{Linear}$ 的权重。

用于 Top-down 的 Bottom-up

  为增强实例 embeddings $\mathcal{E}$，采用视觉 Transformer 解码器作为 Feature Interaction 模块，通过细粒度的像素 embedding 信息 $E_p$ 来精炼实例 embeddings。在输入之前，实例 embeddings 通过跨模态的对齐得分 $\mathcal{S}$ 来保留跨模态信息：
$$\mathcal{E}\odot \mathcal{S}=\{E_p^1\ast s^1,E_p^2\ast s^2,...,E_p^n\ast s^n\}$$之后 Transformer 解码器将建模后的实例 embedding $\mathcal{E}\odot \mathcal{S}$ 作为 queries 来生成增强的实例 embedding $\hat{\mathcal{E}}$ 和预测的增强对齐分数 $\hat{\mathcal{S}}$。最后更新 TD 分支的分割结果：
$${\hat{P}}_{td}=m^{\text{argmax}(\hat{S})}\ast {\hat{S}}^{\text{argmax}(\hat{S})}$$

4.3 高斯得分整合 Gaussian Scoring Integration (GSI)

  GSI 的输入为 TP 分支的输出 ${\hat{P}}_{td}$ 和 BU 分支的输出 ${\hat{P}}_{bu}$。GSI 包含三个步骤：分布预测、得分采样以及结果整合。

分布预测

  选择高斯分布建模性能分布，根据两个分支的结果和特征来预测均值 $\mu$ 和标准差 $\sigma$：
$$\begin{array}{c}{\mu }_{td},{\sigma }_{td}=\mathrm{split}(\mathrm{MLP}({\hat{E}}_i^{\mathrm{argmax}(\hat{S})})\\ {\mu }_{bu},{\sigma }_{bu}=\text{split}(\text{MLP}(\text{GAP}(E_p\odot {\hat{P}}_{bu})))\end{array}$$其中 $\text{MLP}(\cdot )$ 为 3 层全连接层，$\text{GAP}(\cdot )$ 为全局平均池化操作，$\text{split}(\cdot )$ 为通道 split 操作。根据预测的均值和标准差，BUTD 的性能分布为：$N({\mu }_{bu},{\sigma }_{bu})$ 和 $N({\mu }_{td},{\sigma }_{td})$。

得分采样

  在性能分布中采样出一个值作为预测的置信度得分。根据不同的优化策略，利用重参数化 trick 来修改采样过程：
$$\begin{array}{c}{\text{IoU}}_{td}={\mu }_{td}+{\sigma }_{td}\ast ϵ,ϵ\sim \mathcal{N}(0,\mathbf{I})\\ {\text{IoU}}_{bu}={\mu }_{bu}+{\sigma }_{bu}\ast ϵ,ϵ\sim \mathcal{N}(0,\mathbf{I})\end{array}$$其中 ${\text{IoU}}_{td}$ 和 ${\text{IoU}}_{bu}$ 表示 TD 和 BU 分支的置信度得分。利用预测的置信度得分和 GT IoU 的 smooth-L1 损失来优化分布预测模型。

结果整合

  $\text{argmax}(\cdot )$ 在梯度反向回传中是不可微分的操作，于是在训练阶段采用可微分操作进行代替:$$\lambda =\mathrm{one}-\mathrm{hot}(\mathrm{argmax}(\hat{\mathcal{S}}))+\hat{\mathcal{S}}-\mathrm{sg}(\hat{\mathcal{S}})$$
其中 $\lambda \in \{0,1{\}}^n$ 为 最大值的二值索引向量， $\mathrm{one}-\mathrm{hot}(\cdot )$ 为 one-hot 编码函数，$\mathrm{sg}(\cdot )$ 为阻止梯度的操作。$\lambda$ 用于建立 TD 分支 ${\hat{P}}_{td}^{\prime }$ 的可微分分割结果：
$${\hat{P}}_{td}^{\prime }=\sum _i^n{m}^j\ast {\lambda }^j\ast s^j$$其中 $n$ 为实例的数量。为得出最后的分割结果，采用置信度得分来计算 BUTD 分支的权重求和：
$$\hat{P}=({\hat{P}}_{td}^{{}^{\prime }}\ast {\mathrm{IoU}}_{td}+{\hat{P}}_{bu}\ast {\mathrm{IoU}}_{bu})/2$$
最后的结果 $\hat{P}$ 在训练阶段用于计算和 GT mask 的分割损失，而在推理阶段经过阈值 $\tau$ 过滤得到二值 mask。

五、实验

5.1 实验步骤

• 数据集：RefCOCO、RefCOCO+、RefCOCOg；
• TD 分支：MAttNet，Mask2Former (ResNet-50) 作为实例提取器；
• BU 分支：VLT\CRIS\LAVT；
• 评估指标：mask IoU；
• 优化器：AdamW，学习率：1e-5，权重衰减：5e-2.
• 迭代次数：5000；
• GPU：V100；
• Btach：24；
• 二值化阈值 $\tau =0.35$（噢，这个地方有点意思，一般都是 0.5）。

5.2 定量分析

主要的结果

  

不同整合策略的结果

  

特征交互的有效性

  同上表 2。

不同模型结合的互补有效性

  

  

5.2 定性分析

  

六、结论

  现有的 BUTD 方法未能解决 PN 和 IP 错误，但是彼此间能够互补从而更好地处理这两类错误。为充分利用这一互补性，本文遵循 Interaction then Integration 的策略建立 WiCo 机制，从而实现双向提升。具体来说，提出 CFI 使得 TD 分支的先验目标信息和 BU 分支的细粒度信息能够彼此交互，提出 GSI 来建模 BUTD 两分支的性能分布，从而自适应地整合两分支的结果。实验结果表明 WiCo 能够有效提升 BUTD 方法的性能。

写在后面

  附录还有一部分内容是关于 IoU 的计算，以及更加的详细对 PN 和 IP 错误的介绍，并用更多的实验进行论证。这篇文章也是立意比较新颖，从 IoU 的角度去定义问题，不知道作者的写作动机是啥，难道就是碰巧做这个实验发现了问题吗？哈哈，希望哪天能碰到作者当面问一下。
  回答最初的问题：本篇文章不知道与 BUTD 有何关联呢？原来是结合了 BU 和 TD 的操作，两者当有相似功效。