详解何恺明团队4篇大作 !（附代码）| 从特征金字塔网络、Mask R-CNN到学习分割一切

来源：新智元

作者：krish

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本文介绍FAIR何恺明、Tsung-Yi Lin等人的团队在计算机视觉领域最新的一些创新，包括特征金字塔网络、RetinaNet、Mask R-CNN以及用于实例分割的弱半监督方法。

特征金字塔网络（Feature Pyramid Networks）

让我们以现在著名的Feature Pyramid Networks（FPN）[1]开始，这是在CVPR 2017发表的论文，作者Tsung-Yi Lin，何恺明等人。FPN的论文真的很棒。构建一个每个人都可以在各种任务、子主题和应用领域中建立的基准模型并不容易。在详细讨论之前，我们需要了解的一点是：FPN是ResNet或DenseNet等通用特征提取网络的附加组件。你可以从你喜欢的DL库中得到想要的预训练FPN模型，然后像其他预训练模型一样使用它们。

物体是以不同的的scale和size出现的。数据集无法捕获所有这些数据。因此，可以使用图像金字塔（图像的多种缩小比例），以使CNN更易处理。但这太慢了。所以人们只使用一个单个scale的预测，也可以从中间层进行预测。这跟前一种方法有点像，但这是在特征空间上进行的。例如，在几个ResNet块之后放一个Deconv，并获得分割输出（分类也类似，可以是1x1 Conv和GlobalPool）。

FPN的作者找到了一种改进上述方法的聪明方法。不是仅仅具有横向连接，而是将自上而下的pathway也放在上面。这非常合理！他们使用一个简单的MergeLayer（mode ='addition'）来组合两者。这个想法的一个关键点是，较低层（比如初始的conv层）的特征语义信息比较少，不足以用来进行分类。但是更深层的特征可以用于理解。在这里，你还可以利用所有自上而下的pathway FMaps（特征地图）来理解它，就像最深的层一样。这是由于横向连接和自上而下的连接相结合形成的。

FPN论文的一些细节：

• 金字塔（pyramid）：即属于一个stage的所有大小相同的输出图。最后一层的输出是金字塔的参考FMaps。例如：ResNet - 第2,3,4,5个block的输出。根据内存的可用性和特定任务，你可以根据需要改变金字塔。

• 横向连接（Lateral connection）：1x1 Conv和Top-Down pathway是2x的上采样。这个想法来自于顶部特征，同时向下产生粗糙的特征，而横向连接则增加了从下往上的路径中更精细的细节。如下图所示。

• 这篇论文只描述了一个简单的demo。它只是展现了这个想法在简单的设计选择中表现非常好，你可以做得更大、更复杂。

正如我前面所说，这是一个基础网络，可以在任何任务上使用，包括目标检测，分割，姿态估计，人脸检测等等。论文发布后几个月的时间，已经得到100多个引用！论文的标题是FPNs for Object Detection，因此作者继续将FPN用作RPN（Region Proposal Network）和Faster-RCNN网络的baseline。更多关键细节在论文中有更全面的解释，这里只列出一部分。

实验的一些要点：

• 用于RPN的FPN：用FPN替换单一尺度的FMap。它们对每个级都有一个单一尺度的anchor（不需要多级作为其FPN）。它们还表明，金字塔的所有层级都有相似的语义层级。

• Faster RCNN：他们以类似于图像金字塔输出的方式观察金字塔。因此，使用下面这个公式将RoI分配到特定level。

• 其中w，h分别表示宽度和高度。k是分配RoI的level。是w,h=224,224时映射的level。

• 他们对每个模块的工作进行消融实验，以证实论文开头的宣称。

• 他们还基于DeepMask和SharpMask这两篇论文展示了如何将FPN用于segmentation proposal生成。

代码：

• 官方：Caffe2

  https://github.com/facebookresearch/Detectron/tree/master/configs/12_2017_baselines

• Caffe

  https://github.com/unsky/FPN

• PyTorch

  https://github.com/kuangliu/pytorch-fpn (just the network)

• MXNet

  https://github.com/unsky/FPN-mxnet

• Tensorflow

  https://github.com/yangxue0827/FPN_Tensorflow

RetinaNet——密集对象检测的Focal Loss函数

RetinaNet跟上面的FPN来自同一团队，第一作者也都是Tsung-Yi Lin。这篇论文发表于ICCV 2017，并且获得当年的最佳学生论文。

这篇论文有两个关键想法——称为焦点损失（Focal Loss，FL）的损失函数和称为RetinaNet的single stage物体检测网络。该网络在COCO物体检测任务上表现非常出色，同时也击败了前面的FPN benchmark。

Focal Loss：

Focal Loss是很聪明的想法，而且很简单！如果你已经熟悉加权损失，这个与加权损失基本相同，但具有更聪明的权重，将更多的注意力集中在对困难的样本进行分类。公式如下：

其中γ是一个可以改变的超参数。是来自分类器的样本的概率。如果设γ比0大，将减小分类号的样本的权重。是正常加权损失函数中类的权重。在论文中它被表示为α-balanced loss。需要注意的是，这是分类损失，并与RetinaNet中物体检测任务的平滑L1损失相结合。

RetinaNet：

FAIR发布这个single stage的检测网络，很是令人惊讶。直到现在，在 single stage 的目标检测中，占据主导地位的仍是YOLOv2和SSD。但正如作者指出的那样，这两个网络都没有能够非常接近SOTA方法。RetinaNet做到了这一点，同时它是one stage而且快速的。作者认为，最好的结果是由于新的损失，而不是由于一个简单的网络（它后端是一个FPN）。 one stage的检测器将在背景与positive classes之间存在很多不平衡（而非positive classes内部的不平衡）。他们认为，加权损失函数只是针对平衡，但FL则针对简单/困难的样本，同时也表明两者可以结合起来。

代码：

• Official Caffe2

  https://github.com/facebookresearch/Detectron/tree/master/configs/12_2017_baselines

• PyTorch

  https://github.com/kuangliu/pytorch-retinanet
  

• Keras

  https://github.com/fizyr/keras-retinanet
  

• MXNet

  https://github.com/unsky/RetinaNet
  

Mask R-CNN

再次，Mask R-CNN也来自FAIR何恺明团队，论文发表在ICCV 2017。Mask R-CNN用于目标实例分割。简单来说，目标实例分割基本上就是对象检测，但不是使用边界框，它的任务是给出对象的精确分割图！

TL;DR : 如果你已经了解Faster R-CNN，那么Mask R-CNN就很好理解了，就是为分割增加另一个head（branch）。所以它有3个branch，分别用于分类、bounding box regression和分割。

下面的解释假设你已经对Faster R-CNN有一定了解：

• Mask R-CNN与Faster R-CNN相似，Faster R-CNN是two-stage的，其中第一个stage是RPN。

• 添加一个预测分割mask的并行分支——这是一个FCN。

• Loss是，和的和。

• ROIlign Layer而不是ROIPool。这就不会像ROIPool那样将（x / spatial_scale）分数舍入为整数，相反，它执行双线性插值来找出那些浮点值处的像素。

• 例如：想象一下，ROI的高度和宽度分别为54,167。空间尺度基本上是图像大学/ FMap大学（H / h），在这种情况下它也被称为步幅（stride）。通常224/14 = 16（H = 224，h = 14）。

◦ ROIPool: 54/16, 167/16 = 3,10

◦ ROIAlign: 54/16, 167/16 = 3.375, 10.4375

◦ 现在我们可以使用双线性插值来进行上采样。

◦ 根据ROIAlign输出形状（例如7x7），类似的逻辑将相应的区域分成适当的bins。

◦ 感兴趣的话可以看看Chainer的ROIPooling的python实现，并尝试自己实现ROIAlign

◦ ROIAlign代码可以在不同的库中使用，请查看下面提供的代码库。

• 它的主干是ResNet-FPN

代码：

• 官方 Caffe2

  https://github.com/facebookresearch/Detectron/tree/master/configs/12_2017_baselines

• Keras

  https://github.com/matterport/Mask_RCNN/
  

• PyTorch

  https://github.com/soeaver/Pytorch_Mask_RCNN/
  

• MXNet

  https://github.com/TuSimple/mx-maskrcnn
  

学习分割一切（Learning to Segment Everything）

文如其名，这篇论文是关于分割的。更具体的说，是关于实例分割的。计算机视觉中用于分割的标准数据集非常小，对现实世界的问题不足以有效。即便到了2018年，创建于2015年的COCO数据集仍然是最流行、最丰富的数据集，尽管它只有80个物体类别。

相比之下，对象识别和检测的数据集（例如OpenImages [8]）具有用于分类任务的6000个类别和用于检测的545个类别。话虽如此，斯坦福大学还有另一个名为Visual Genome的数据集，其中包含3000个物体类别！那么，为什么不使用这个数据集呢？因为每个类别中的图像数量太少，因此DNN在这个数据集上并不会真正起作用，所以即使它更丰富，人们也不会使用这个数据集。而且，这个数据集没有任何分割注释，只有3000个类别的对象检测的边界框（bounding boxes）标签可用。

让我们回到Learning to Segment Everything这篇论文。实际上，边界框（bounding box）和分割注释（segmentation annotation）对于域来说并没有太大的区别，仅仅是后者比前者更精确。因此，因为Visual Genome数据集有3000个类，为什么不利用这个数据集来做实例分割呢？FAIR何恺明团队正是这样做的。这可以被称为弱监督（或弱半监督？）学习，也就是说你没法完全监督你想要实现的任务。它还可以与半监督相关联，因为它们都使用COCO + Visual Genome数据集。这篇论文是迄今为止最酷的。

• 它是建立在Mask-RCNN之上的

• 同时在有mask标注和无mask标注的输入上训练

• 在mask和bbox mask之间添加一个weight transfer函数

• 当无mask标注的输入通过时，wseg 预测将于马萨卡 features相乘的权重；当有mask标注的输入通过时，不使用这个函数，代而使用一个简单的MLP。

• 如下图所示。A是COCO数据集，B是VG。注意不同输入的两个不同路径。

由于没有注释可用，作者无法在VG数据集上显示精确度，因此他们把这个想法应用到可以证明结果的数据集上。PASCAL-VOC有20个类别，而且这些类别在COCO中都很常见。因此，他们使用VOC分类标签进行训练，并且只使用来自COCO的bbox标签对这20个类别进行训练。结果显示在COCO数据集中20个类的实例分割任务上。反之亦然，因为这两个数据集都有ground-truth。结果如下表所示：

References：

[1] Lin, Tsung-Yi, Piotr Dollár, Ross B. Girshick, Kaiming He, Bharath Hariharan and Serge J. Belongie. “Feature Pyramid Networks for Object Detection.” *2017 IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR)* (2017): 936-944.

[2] Lin, Tsung-Yi, Priya Goyal, Ross B. Girshick, Kaiming He and Piotr Dollár. “Focal Loss for Dense Object Detection.” *2017 IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV)* (2017): 2999-3007.

[3] He, Kaiming, Georgia Gkioxari, Piotr Dollár and Ross B. Girshick. “Mask R-CNN.” *2017 IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV)* (2017): 2980-2988.

[4] Hu, Ronghang, Piotr Dollár, Kaiming He, Trevor Darrell and Ross B. Girshick. “Learning to Segment Every Thing.” *CoRR*abs/1711.10370 (2017): n. pag.

[5] Ren, Shaoqing, Kaiming He, Ross B. Girshick and Jian Sun. “Faster R-CNN: Towards Real-Time Object Detection with Region Proposal Networks.” *IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence* 39 (2015): 1137-1149.

[6] Chollet, François. “Xception: Deep Learning with Depthwise Separable Convolutions.” 2017 IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR) (2017): 1800-1807.

[7] Lin, Tsung-Yi, Michael Maire, Serge J. Belongie, James Hays, Pietro Perona, Deva Ramanan, Piotr Dollár and C. Lawrence Zitnick. “Microsoft COCO: Common Objects in Context.” ECCV (2014).

[8] Krasin, Ivan and Duerig, Tom and Alldrin, Neil and Ferrari, Vittorio et al. OpenImages: A public dataset for large-scale multi-label and multi-class image classification. Dataset available from https://github.com/openimages

[9] Krishna, Ranjay, Congcong Li, Oliver Groth, Justin Johnson, Kenji Hata, Joshua Kravitz, Stephanie Chen, Yannis Kalantidis, David A. Shamma, Michael S. Bernstein and Li Fei-Fei. “Visual Genome: Connecting Language and Vision Using Crowdsourced Dense Image Annotations.” International Journal of Computer Vision 123 (2016): 32-73.

原文：

https://skrish13.github.io/articles/2018-03/fair-cv-saga