ECCV-2018最佼佼者的目标检测算法

转眼间，离上次9月3日已有9天的时间，好久没有将最新最好的“干货”分享给大家，让大家一起在学习群里讨论最新技术，那今天我给大家带来ECCV-2018年最优paper之一，也是目标检测里的佼佼者，值得我们去深挖，去学习！

目标检测算法概述

CornerNet可以说是今年ECCV一大亮点，其主要是由密歇根大学Hei Law等人创作，并在ECCV2018上发表，主要实现了更加精准的目标检测算法。但是，今天在开始介绍接下来主角“CornerNet”之前，我带大家先简单回忆下object detection领域的主流算法，如果有兴趣的您，可以浏览如下的文章：

• 超级干货 | 从神经元到CNN、RNN、GAN…神经网络看本文绝对够了
  

• 深度学习近期总结分析

接下来主要回顾之前流行算法的原因，是因为CornerNet的主要算法和现在的主流算法框架很很多不一样。

在深度学习领域的目标检测算法中，现在主要分为One-stage(如：SSD, YOLO，YOLO后期还出了更多的精确度和速度极高的版本)和Two-stage(如经典的RCNN系列)两种。

One-stage是直接在输入的图片上经过各种卷积池化类的计算，从其意思也可以理解，就是一个阶段，一般为end-to-end框架，经过复杂的计算后，最终生成detections。但是，Two-stage则与其与众不同，其主要是先去提取候选区域, 再基于提取的候选区域进行第二次修正。

通过实验和框架的计算复杂度明显可以看得出，One-stage的网络框架速度快, 但是最终的检测精度会较低点，而Two-stage精度高, 但由于框架复杂度提高，检测速度会随之变慢，最终的选择取决使用的实际应用。

自从AlexNet在ImageNet大赛上取得第一的成绩，而且远远超越第二名，因此深度学习有一次出名，掀起了深度学习新的一次浪潮。之后，Ross Girshick又将卷积神经网络（CNN）取代了传统的HOG、HOF和DPM等特征提取方法。

具体的一些之前流行算法，您可以点击如下链接进行阅读。（RNN，YOLO等，蓝色字体可以链接到对应的paper）

度学习近期总结分析

图 1 Faster RCNN算法框架

Motivation

CornerNet认为Two-stage目标检测最明显的缺点是区域候选阶段需要提取的anchor boxes。

• 提取的anchor boxes数量较多，比如DSSD使用40k，RetinaNet使用100k，anchor boxes众多造成anchor boxes征服样本均衡；

• Anchor boxes需要调整很多超参数，比如anchor boxes数量、尺寸、比率，影响模型的训练和推断速率。

本次提出的One-stage的检测方法，舍弃传统的 anchor boxes思路，提出CornerNet模型预测目标边界框的左上角和右下角一对顶点，即，使用单一卷积模型生成热点图和连接矢量：所有目标的左上角和所有目标的右下角热点图，每个顶点的连接矢量(embedding vector)。

图 2 CornerNet框架

主要思路其实来源于一篇多人姿态估计的论文。

基于CNN的2D多人姿态估计方法，通常有2个思路（Bottom-Up Approaches和Top-Down Approaches）：

• Top-Down framework：就是先进行行人检测，得到边界框，然后在每一个边界框中检测人体关键点，连接成每个人的姿态，缺点是受人体检测框影响较大，代表算法有RMPE；

• Bottom-Up framework：就是先对整个图片进行每个人体关键点部件的检测，再将检测到的人体部位拼接成每个人的姿态，代表方法就是openpose。

本次的第一个创新是讲目标检测上升到方法论，基于多人姿态估计的Bottom-Up思想，首先同时预测定位框的顶点对（左上角和右下角）热点图和embedding vector，根据embedding vector对顶点进行分组。

第二个创新是提出了corner pooling用于定位顶点。自然界的大部分目标是没有边界框也不会有矩形的顶点，依top-left corner pooling 为例，对每个channel，分别提取特征图的水平和垂直方向的最大值，然后求和。

图 3 corner pooling计算方式

本次paper认为corner pooling之所以有效，是因为：

• 目标定位框的中心难以确定，和边界框的4条边相关，但是每个顶点只与边界框的两条边相关，所以corner 更容易提取；

• 顶点更有效提供离散的边界空间，实用O(wh)顶点可以表示O(w2h2) anchor boxes。

Paper的第三个创新是模型基于hourglass架构，使用focal loss的变体训练神经网络。

论文提出的CornerNet在MS COCO测试验证，达到42.1% AP，完胜所有的One-stage目标检测方法，基于PyTorch源码请在公众号回复CornerNet。

Architecture

• Overview

图 4 CornerNet模型架构

如图 4所示，CornerNet模型架构包含三部分，Hourglass Network,Bottom-right corners&Top-left Corners Heatmaps和Prediction Module。

Hourglass Network是人体姿态估计的典型架构，论文堆叠两个Hourglass Network生成Top-left和Bottom-right corners，每一个corners都包括corners Pooling，以及对应的Heatmaps, Embeddings vector和offsets。embedding vector使相同目标的两个顶点（左上角和右下角）距离最短， offsets用于调整生成更加紧密的边界定位框。

• Detecting Corners

Paper模型生成的heatmaps包含C channels（C是目标的类别，没有background channel），每个channel是二进制掩膜，表示相应类别的顶点位置。

对于每个顶点，只有一个ground-truth，其他位置都是负样本。在训练过程，模型减少负样本，在每个ground-truth顶点设定半径r区域内都是正样本，这是因为落在半径r区域内的顶点依然可以生成有效的边界定位框，论文中设置IoU=0.7。

pcij表示类别为c，坐标是（i,j）的预测热点图，ycij表示相应位置的ground-truth，论文提出变体Focal loss表示检测目标的损失函数：

由于下采样，模型生成的热点图相比输入图像分辨率低。论文提出偏移的损失函数，用于微调corner和ground-truth偏移。

• Grouping Corners
  

输入图像会有多个目标，相应生成多个目标的左上角和右下角顶点。对顶点进行分组，论文引入Associative Embedding的思想，模型在训练阶段为每个corner预测相应的embedding vector，通过embedding vector使同一目标的顶点对距离最短，既模型可以通过embedding vector为每个顶点分组。

模型训练Lpull损失函数使同一目标的顶点进行分组， Lpush损失函数用于分离不同目标的顶点。

• Hourglass Network
  

Hourglass Network同时包含了bottom-up（from high resolutions to low resolutions)和top-down (from low resolutions to high resolutions)。而且，整个网络有多个bottom-up和top-down过程。这样设计的目的是在各个尺度下抓取信息。针对目标检测任务，论文调整了Hourglass一些策略。

Experiments

论文的训练损失函数包含了第三部分介绍的4个损失函数，α, β 和γ用于调整相应损失函数的权重：

模型训练过程中使用10个Titan X (PASCAL) GPUs，详细的训练参数可参考原论文。模型的推断时间是244ms/ image (Titan XPASCAL GPU)。

CornerNet相比其它one-stage目标检测算法，MS COCO数据集测试AP有明显提高，虽然性能接近于Two-stage检测算法，但是推断时间无明显优势。

Table 4MS COCO test-dev数据集性能对比

Discussion

个人观点：CornerNet创新来自于多人姿态估计的Bottom-Up思路，预测corner的heatmps,根据Embeddings vector对corner进行分组，其主干网络也来自于姿态估计的Hourglass Network。模型的源码请在公众号回复：CornerNet获取，可以放心研究测试。

CV的很多任务之间是相通的，CVPR2018 best paper也印证这一观点，在不同的子领域寻找相似性，迁移不同领域的算法，是CV行业一个趋势。

多人姿态估计的Hourglass Network算法也不断改进中，其实论文模型的推断速率受限于Hourglass Network的特征提取，有志青年也可以沿着这个思路取得更好的性能。

• Newell, A., Huang, Z., Deng, J.: Associative embedding: End-to-end learning for joint detection and grouping. In: Advances in Neural Information Processing Systems. pp. 2274{2284 (2017)

• Hei Law, Jia Deng :CornerNet: Detecting Objects as Paired Keypoints.ECCV2018

• Girshick, R.: Fast r-cnn. arXiv preprint arXiv:1504.08083 (2015)

• Girshick, R., Donahue, J., Darrell, T., Malik, J.: Rich feature hierarchies for accurate object detection and semantic segmentation. In: Proceedings of the IEEE conference on computer vision and pattern recognition. pp. 580{587 (2014)

• Lin, T.Y., Goyal, P., Girshick, R., He, K., Doll´ar, P.: Focal loss for dense object detection. arXiv preprint arXiv:1708.02002 (2017)

• Liu, W., Anguelov, D., Erhan, D., Szegedy, C., Reed, S., Fu, C.Y., Berg, A.C.:SSD: Single shot multibox detector. In: European conference on computer vision.pp. 21{37. Springer (2016)

• Newell, A., Yang, K., Deng, J.: Stacked hourglass networks for human pose estimation. In: European Conference on Computer Vision. pp. 483{499. Springer (2016)

• Amir R. Zamir , Alexander Sax Taskonomy: Disentangling Task Transfer Learning.CVPR2018

文章地址

https://arxiv.org/abs/1808.01244

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