CVPR2021 分割之“Boundary IoU”，衡量物体边界分割质量的新度量

论文：https://arxiv.org/pdf/2103.16562.pdf

源码：https://github.com/bowenc0221/boundary-iou-api

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动机

近年来，随着深度学习技术的进一步发展，实例分割算法的性能越来越优秀。实例分割算法的进步体现在AP指标的不断提升，但是这不等同于优化的算法对所有的“错误类型”都有改善。

算法的优化一般是以增加评测指标值为目的，如果AP指标对某种错误类型敏感，那么基于该指标优化的算法能很好地解决该种错误类型；反之，如果AP指标对某种错误类型不敏感，那么即使改善算法使得AP指标提升，也未必会很好地改善该错误类型。

在分割领域中，mask边界的分割质量是衡量算法能否落地的一个重要参考指标。作者认为，当前通用的以Mask IoU为基础的AP指标对于mask边界的分割质量不敏感，导致近年来不断优化的分割算法并没有明显改善mask边界的分割质量。

基于以上情况，作者提出了Boundary IoU，使用Boundary IoU代替Mask IoU，能够很好地衡量分割边界的质量好坏，如下图所示：

相比于BMask R-CNN和PointRend这2种方法，Mask R-CNN在物体边界的分割质量比较差，但是使用Mask IoU衡量这3种方法的分割质量，Mask IoU指标并未拉开太大的差距。相比之下，作者提出的Boundary IoU对物体边界的分割质量很敏感，能够很好地评价不同的分割算法对于物体边界的分割质量。

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定义分割错误类别

为了更好地比较通用的Mask IoU、基于边界的Trimap IoU和F-Measure和作者提出的Boundary IoU对不同错误类型的敏感程度，这里首先定义几种错误类型及其错误程度。对于每种错误类型，会在ground truth mask的基础上“人为地”创造出预测mask，以便于比较不同的测量方法对不同类型分割错误的敏感程度。

（1）Scale error：对ground truth进行膨胀和腐蚀模拟预测mask，错误程度通过形态学操作的kernel radius决定。如下图中图（a）和图（b）所示。

（2）Boundary localization error：对ground truth的多边形边界顶点坐标添加高斯噪声模拟预测mask，错误程度由高斯噪声的标准差决定。如下图中图（c）所示。

（3）Object localization error：对ground truth mask进行偏移操作模拟预测mask，错误程度由像素的偏移量决定。如下图中图（d）所示。

（4）Boundary approximation error：使用《Shapely: manipulation and analysis of geometric objects》中提出的的simplify函数移除ground truth mask的多边形顶点以简化mask的多边形，模拟预测mask，错误程度由simplify函数中的error tolerance参数决定。如下图中图（e）所示。

（5）Inner mask error：在ground truth mask内部增加形状随机的空洞来模拟预测mask，错误程度由空洞数量决定。如下图中图（f）所示

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几种测量方法的敏感性测试

在图像分割领域，有如下几种分割质量测量方法：

上表列举了几种分割质量测量方法和作者提出的Boundary IoU，其中“Symmetric”表示交换ground truth mask和预测mask是否会改变测量值；“Insensitivity”表示该方法对哪种错误类型不敏感。

上表中各个变量的含义为：

上表中的 和 是1维的线，用来表示mask的轮廓； 和 是由与轮廓距离为 的像素组成的二维区域。

Pixel accuracy是2007年PASCAL VOC语义分割任务开始使用的分割质量评估方法，该方法是不对称的，且对预测mask大于ground truth mask的情况得分比较高，因此近年来不再使用。

2.1 Mask IoU

Mask IoU的缺点在于，当用它测量分割算法对大尺寸物体边界的分割质量时，其得分偏高，高于真实的分割质量。这是因为，随着物体尺寸的增加，物体内部像素数量以二次方形式增加，而物体边界像素数量以线性形式增加，导致尺寸越大的物体，边界像素占总像素的比重越小。导致对于大物体，当物体内部像素被正确分割时，即使边界像素分割质量不好，Mask IoU的值也比较高。

对于不同尺寸的物体，使用上文提出的方法模拟scale error类型的预测mask，使用Mask IoU衡量ground truth mask和预测mask的差异，Mask IoU的值如下图所示：

上图中横轴表示物体面积，纵轴表示Mask IoU的值；左图和右图分别表示预测mask大于ground truth mask和预测mask小于ground truth mask的情况。对于不同尺寸的物体，由ground truth mask得到预测mask时进行的腐蚀和膨胀程度保持恒定。

从上图中可以看出，对于小尺寸物体，scale error造成Mask IoU值较低；随着物体尺寸的增加， 即使scale error的程度保持恒定，Mask IoU也会逐渐增加，从而说明使用Mask IoU衡量大物体边界的分割质量，得分偏高。

2.2 Trimap IoU

Trimap IoU只在ground truth mask的边界处计算IoU，因此该指标不是对称的，即交换ground truth mask和预测mask会得到不同的Trimap IoU值。

使用Trimap IoU衡量scale error，结果如下图所示：

上图中横轴表示scale error的错误程度，纵轴表示Trimap IoU的值；左图针对大尺寸物体，右图针对小尺寸物体。Dilation表示预测mask大于ground truth mask；Erosion表示预测mask小于ground truth mask。

从上图中可以看出，对于不同尺寸的物体，当预测mask大于ground truth mask时，Trimap IoU的值普遍高于预测mask小于ground truth mask的情况。即对于同等程度但类型不同的2种scale error，Trimap IoU的值会更偏向预测mask大于ground truth mask的scale error类型。

此外，从上文表格的Trimap IoU定义中可以看出，Trimap IoU不能反映出发生在距离ground truth mask边界较远处的像素分割错误。

2.3 F-Measure

对于大尺寸物体和小尺寸物体，不同程度的scale error（预测mask大于ground truth mask），F-measure和Mask IoU的值如下图所示：

从上图可以看出，随着scale error程度的增加，相比于Mask IoU，F-measure的值变化很剧烈，这会导致在实际应用时F-measure的variance比较大。

显然，由于Trimap IoU和F-measure都存在固有缺陷，它们都不能代替Mask IoU成为衡量分割质量的主要指标；而Mask IoU的缺点是对大尺寸物体边界的分割质量得分偏高。

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Boundary IoU

Boundary IoU的定义为：

上式中的 表示与ground truth mask的轮廓距离不大于 的像素集合， 表示与预测mask的轮廓距离不大于 的像素集合。

上面的公式可表示如下：

图中的上半部分表示ground truth mask和预测mask，其中蓝色和橘黄色分别表示ground truth mask和预测mask中与它们轮廓距离不大于 的像素。

距离 控制着Boundary IoU的敏感程度，当 足够大时，Boundary IoU等效于Mask IoU；当 比较小时，Boundary IoU会忽略mask中远离边界的像素，使得即使对于尺寸较大的物体，Boundary IoU也会更关注物体边界附近的分割质量。

下图表示Boundary IoU和Mask IoU对不同类型error、不同程度error发生时值的变化：

上图中从左到右依次表示不同类型的error，每个图的横轴代表该类型error的程度。

从图中可以看出，与Mask IoU相比，Boundary IoU的值随着error程度变化更加明显，这表明Boundary IoU比Mask IoU更能够衡量物体边界处不同类型的分割错误程度。

下图表示不同类型error下，随着物体尺寸的变化，Mask IoU和Boundary IoU的变化程度：

上图中从左到右依次表示不同类型的error，每个图的横轴表示物体尺寸的变化，每个类型的error程度是固定不变的。

从图中可以看出，对于每种类型的error，即使error的程度固定，随着物体尺寸的增加，Mask IoU的值也会逐渐增加，而Boundary IoU的值在增加到一定程度后几乎保持不变。这说明Boundary IoU克服了Mask IoU对大尺寸物体“高估”边界分割效果的缺点。

在使用Boundary IoU时，宽度 的选取应考虑2个方面。其一，应考虑所使用数据集的标注质量，当数据集的标注质量比较高时，使用较小的 ；当数据集的标注质量比较低时，使用较大的 ；其二，考虑主流算法的性能所允许的测试严格程度，若想严格衡量边界分割质量，则使用比较小的 。

Boundary IoU也有缺陷，比如对于类似下图中有相同圆心的2个mask，Boundary IoU的值会很高。

为解决该问题，作者推荐使用min(Mask IoU,Boundary IoU)。在实际使用时，超过99.9%的情况下Boundary IoU的值都要小于等于Mask IoU，因此取最小值只是为了避免上图中这种特殊的情况。

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实验

在衡量实例分割算法的性能时，作者使用min(Mask IoU,Boundary IoU)代替计算AP时使用的Mask IoU，并将此方式计算得到的AP命名为Boundary AP。相比于AP，Boundary AP对物体边界的分割质量更敏感。

使用Detectron2中的Mask R-CNN模型，使用ResNet-50作为Backbone，在COCO数据集上训练和测试，在计算Boundary AP时 的值取图片对角线的2%。为了比较Mask AP和Boundary AP对边界分割质量的敏感程度，使用ground truth中的类别和定位替换网络输出的类别和定位信息，使用两种度量方式衡量网络输出的分割结果，如下表所示：

在上表中，Mask 的值大于Mask ；但是Boundary 的值小于Boundary ，说明Boundary AP对大尺寸物体的边界分割质量要比Mask AP敏感。

使用不同的backbone，在衡量性能时使用ground truth的box和使用网络输出的box进行对比，如下表所示：

从上表中可以看出，如果使用ground truth box，单纯地增大Backbone并不会显著增加Mask AP和Boundary AP的值；若使用网络预测的box，增大backbone能显著增加Mask AP和Boundary AP的值。这说明与Mask AP一样，Boundary AP同样能够衡量实例分割网络的定位和分类的性能提升。

使用多种分割算法在COCO验证集上测试，分别使用Mask AP和Boundary AP衡量分割结果，结果如下表所示：

在Cityscapes验证集上测试多种分割算法，Mask AP和Boundary AP的对比情况如下表所示，在计算Boundary AP时 的值取图片对角线的0.5%.

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总结

• 分析图像分割领域中几种衡量图像分割质量的方法，指出它们在衡量物体边界分割质量时存在的问题，并通过实验证明；

• 提出了Boundary IoU，构造了多种分割错误类型进行敏感性分析，以说明Boundary IoU在衡量物体边界分割质量时的优势；

• 以Boundary IoU为基础，构造Boundary AP代替使用Mask IoU计算的Mask AP，用于评价实例分割算法性能，并给出常用实例分割算法的Boundary AP值。

备注：分割

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