目标检测-One Stage-CenterNet

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前言

前文提到的YOLOv3、YOLOv4、YOLOv5都是基于Anchor的算法（anchor-based），这类算法有如下缺点：

1. 产生大量的预测框，计算量大
2. 正负样本不平衡问题：产生的预测框大部分是负样本
3. 对预定义anchor依赖：anchor-based方法的anchor box的尺度是一个超参数，不同的超参设置会影响模型性能

因此出现了anchor-free这类不依赖于预定义锚框的算法，使得模型更灵活，并且在处理各种目标形状和大小时更具鲁棒性，在一些场景下取得了与传统锚框方法相媲美甚至更好的性能。

CenterNet 就是经典的 anchor-free 目标检测算法（CVPR 2019）

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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、CenterNet的网络结构和流程

1. 图像预处理：对图片进行随机翻转，随机缩放(0.6~1.3倍)，图片裁剪和颜色增强。
2. 将图像输入backbone（Hourglass/ResNet/DLA/…）得到下采样为原来R分之一大小的特征图

ps：

• Hourglass Network（时钟网络）是一种用于姿态估计和目标检测的神经网络结构，最初由Alejandro Newell等人于2016年提出。它的名字来自于其整体网络结构的形状，看起来像一个沙漏或时钟的形状。
• Hourglass Network 的主要特点是通过堆叠多个相互连接的 Hourglass 模块，实现对不同尺度特征的提取和整合。Hourglass 模块本身是一个自我包含的网络结构，具有先下采样（down-sampling）然后上采样（up-sampling）的结构，以捕捉底层和高层特征。
  

3. 将获得的特征图同时输入HeatMap、OffSet、Size三个组件，得到的目标框的分类和回归情况

ps：

• HeatMap：经过卷积模块，预测特征图中每个像素是否是目标的中心点
• OffSet：经过卷积模块，以特征图中每个像素为中心点，回归目标边界框中心点的偏移量
• Size：经过卷积模块，以特征图中每个像素为中心点，回归目标边界框的大小（宽度、高度）

4. 预测框转换：将上述结果合并，得到预测框的类别和位置信息

ps：

1. 首先，对HeatMap的通道做Argmax和max处理，得出分类的index和最高得分。根据得分置信度过滤掉低于阈值的物体中心（此时的过滤完的结果已经带有分类信息和物体中心位置的坐标了）。
2. 将Offset的偏移量加到HeatMap中的物体中心坐标上，进行修正。
3. 根据上面HeatMap的过滤结果，对置信度高于阈值的WidthHeight进行转换，xyhw -> x1y1x2y2，就得到预测框了。
   最后将预测框结果进行归一化，方便后面预测框转换计算。

5. 后处理：虽然论文作者一直强调自己这个模型是一个完全端到端的设计，不需要nms等后处理操作。只需要一个3x3的max_pooling层就可以替代nms。但是实际使用中，无论模型的预测结果还是训练数据，都在结果转换后进行nms。

二、CenterNet的创新点

1. 用HeatMap预测的目标中心点代替Anchor机制来预测目标，使用更大分辨率的输出特征图（相对于原图缩放了4倍），因此无需用到多层特征，实现了真正的Anchor-Free，训练上更加简便，并且由于无需额外生成anchor，在保证精度的同时，速度显著提升。
2. 网络可拓展性非常强，论文中介绍了实现3D目标检测和人体姿态估计任务。具体来说对于3D目标检测，直接回归得到目标的深度信息，3D目标框的尺寸，目标朝向；对于人体姿态估计来说，将关键点位置作为中心的偏移量，直接在中心点回归出这些偏移量的值。

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总结

CenterNet是anchor-free中的一个里程碑之作。除了目标检测之外，CenterNet还能应用到其他视觉任务中，如人体关键点，姿态预测等。

模型简单而精巧的设计，使得CenterNet在运行速度和精度的平衡上取得了很好的结果。