搞懂DEtection TRanformer(DETR)

本文描述了笔者在阅读了一些文献之后，对 End-to-end Object Detection with Transformers(DETR) 的理解。DETR是一个令人非常兴奋的目标检测模型，它在思路上完全不同于现有的state-of-art的那些目标检测模型，让人对目标检测这个任务重新思考。一句话概括一下，DETR就是一个不用nms，不用anchor，流程非常简洁明了，且基于transformer的state-of-art的目标检测模型。

1 bipartite matching loss

在讲这篇论文之前，先来说一个这篇论文的精华思想——bipartite matching loss。假设我们现在有两个sets，左边的sets是模型预测得到的$N$个元素，每个元素里有一个bbox和对这个bbox预测的类别的概率分布，预测的类别可以是空，用$\varphi$来表示；右边的sets是我们的ground truth，每个元素里有一个标签的类别和对应的bbox，如果标签的数量不足$N$则用$\varphi$来补充,，$\varphi$可以认为是background。

两边sets的元素数量都是$N$，所以我们是可以做一个配对的操作，让左边的元素都能找到右边的一个配对元素，每个左边元素找到的右边元素都是不同的，也就是一一对应。这样的组合可以有$N!$种，所有组合记作${\sigma }_N$。这个$N$即是模型可以预测的最大数量。

我们的目的是在这所有的$N!$种中，找到使得$L_{match}$最小的那个组合，记作$\hat{\sigma }$。

$$L_{match}=-1_{\{c_i\ne \varphi \}}{\hat{p}}_{\sigma (i)}(c_i)+1_{\{c_i\ne \varphi \}}{L}_{box}(b_i,{\hat{b}}_{\sigma (i)})$$

其中，$1$是示1符号，后面括号的内容为真时取值1，否则取值0；$i$表示ground truth中的第$i$个元素；$c_i$是ground truth中的第$i$个class，即$clas{s}_i$；$b_i$是ground truth中的第$i$个bbox，即$bbo{x}_i$；$\sigma (i)$是某个组合中ground truth第i个元素对应于predictions中的index；${\hat{p}}_{\sigma (i)}$表示prediction中第$\sigma (i)$个probs，即$prob{s}_{\sigma (i)}$；${\hat{b}}_{\sigma (i)}$表示prediction中的第$\sigma (i)$个bbox，即$bbo{x}_{\sigma (i)}$。

写成目标函数的形式就是

$$argmi{n}_{\sigma \in {\sigma }_N}\sum _i^N{L}_{match}(y_i,{\hat{y}}_{\sigma (i)})$$

其中的$y$可以看成class和bbox的一个组合。

在${\sigma }_N$中找使得$L_{match}$最小的那个组合的方法用的是Hungarian算法，这里不展开说，总之就是一个高效的可以帮我们找到最有最优${\sigma }_i$的启发式算法。

这里还有一个没有说到的就是$L_{box}$。由于文章中所使用的方法是没有预先设计好的anchor的，是直接预测bbox的，所以如果像其他方法那样直接计算$L_1$ loss的话，就会导致对于大的框和小的框的惩罚力度不一致，所以文章在使用$L_1$ loss的同时，也使用了scale-invariant的IoU loss。

$$L_{box}(b_i,{\hat{b}}_{\sigma (i)})={\lambda }_{iou}{L}_{iou}(b_i,{\hat{b}}_{\sigma (i)})+{\lambda }_{L_1}||b_i-{\hat{b}}_{\sigma (i)}|{|}_1$$

其中， ${\lambda }_{iou}$和 ${\lambda }_{L_1}$是超参数。

注意这里的$L_{match}$是帮我们找最小组合的时候，Hungarian算法所使用的loss，并不是训练模型的loss，并不是训练模型的loss，并不是训练模型的loss！！！

找到match之后，训练模型用的loss是

$$L_{Hungarian}(y,\hat{y})=\sum _1^N[-log{\hat{p}}_{\hat{\sigma }(i)}(c_i)+1_{\{c_i\ne \varphi \}}{L}_{box}(b_i,{\hat{b}}_{\sigma (i)})]$$

注意这里和$L_{match}$的区别，在于从$-1_{\{c_i\ne \varphi \}}{\hat{p}}_{\sigma (i)}(c_i)$变成了$-log{\hat{p}}_{\hat{\sigma }(i)}(c_i)$。也就是说我们在找match的时候，把和ground truth类别一致的，且bbox最接近的预测结果对应上就完事了，其他那些$\varphi$，模型预测出来啥，我match并不关心。但是在算训练模型的Hungarian loss时，就不一样了，我不希望模型会预测出乱七八糟的结果，$\varphi$就是$\varphi$，没有就是没有，别整得似有似无的，该$\varphi$的时候预测出东西了，就要惩罚你。因为我预测的时候可是没有ground truth的，我没法知道哪几个是对的了。

至于为啥不在$L_{match}$的时候就用$log$，作者解释说是为了和$L_{box}$相对称，经验的结果。我估计是用了$log$的话，Hungarian算法计算量会变大吧。

2 模型总体框架

DETR的模型架构非常简单，所以这也使得它在几乎所有深度学习框架下都可以实现，只要有CNN和transformer就可以了。总体框架如下图所以，可以拆分为backbone，encoder，decoder和prediction heads四个部分。

2.1 backbone

backbone就是一个传统的CNN模型，作用是抽取图片的特征信息。假设输入是$H_0\times W_0\times 3$的一张图片，那么输出就是一个$\frac{H}{32}\times \frac{W}{32}\times 2048$的一个特征，记作$H\times W\times C$。

2.2 transformer

encoder，decoder和FFN共同构成了transformer，如下图所示，和经典的transformer没有太大的区别，结构上没什么要说的，不了解transformer的小伙伴可以参见我的另一篇博客 – 搞懂transformer。用attention来做的好处就是，attention可以看到全局的信息，大框小框，不管什么奇形怪状的框，分分钟给你搞出来。

2.2.1 encoder

encoder会接收图像特征，但是在此之前也会过一下一个$1\times 1$的CNN，用来给特征层压缩，从$C$降到$d$。又因为encoder吃的是一个序列，所以还要把这个$H\times W\times C$的拉成$HW\times C$。
然后把这个特征和一个用于提供图像位置信息的positional encodings一起作为encoder的输入。

2.2.2 decoder

decoder的输入是encoder的输出，positional encodings以及一个叫做object queries的向量。这个object queries是个比较神奇的东西，它是学出来的。我们先来看一下在这些object queries下，预测出来的框是什么样子的。

上图中，每个图都是一个object query在COCO 2017 val set预测出来的框的结果。图中的每个点都是一个框的中心点，绿色表示小框，红色表示横向的大框，蓝色表示纵向的大框。可见每个query都有自己的特点，比如第一个query会一直问左边的小框里是什么，第二个会问中间的大框是什么，等等。我们可以把每个object query看成一个关注于某个区域，某些大小物体的提问者。然后这些提问者就是模型训练出来的提问者，各有所长。

2.2.3 prediction heads

最后的prediction heads就是几层全连接，用来输出预测的类别和框的位置大小。

3 模型效果

不管模型里有多少奇思妙想，最终的效果才是真家伙，是我们最关心的。那么这个DETR的效果如何呢？作者在COCO数据集上把DETR和Faster RCNN做了比较，下表就是比较的结果。

表中两个区域都是Faster RCNN，backbone还都是重复的，别急，这个不是作者顺手多复制了几行。上面的是Detectron2的Faster RCNN的结果，中间的是用了GIoU， random crops train-time augmentation和the long 9x training schedule这些技巧的Faster RCNN的结果，最下面自然是DETR的结果。可见DETR和用了各种技巧的Faster RCNN效果差不多，还是很棒的。

得益于其独特的loss，DETR对于相邻的实例有着很好的区分效果。从下图中可以看出，attention学的很棒。

不够看的话，我们再来看一副把attention对应到原图上的。attention很机智的把物体的边界给学出来了。

除此之外，DETR还可以拓展到全景分割。这块我没怎么看，这里就不细讲了。

参考文献

[1] End-to-end Object Detection with Transformers
[2] https://www.youtube.com/watch?v=T35ba_VXkMY
[3] https://www.kaggle.com/tanulsingh077/end-to-end-object-detection-with-transformers-detr