聊一聊2020年实例分割领域的进展和未来展望

2020 年 6 月 24 日 极市平台

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作者｜林大佬@知乎

This article was original written by 林大佬, welcome re-post, first come with https://zhuanlan.zhihu.com/ai-man . but please keep this copyright info, thanks, any question could be asked via wechat: jintianandmerry

实例分割发展至今可谓是八仙过海各显神通，大家都在为打造一个精度足够高，速度足够快的方法不断地开拓着。从MaskRCNN这一开山鼻祖的方法到最新的SOLO，SOLOv2等，精度在不断刷新，速度在不断提高。然而对这一领域问题的定义并非是一成不变。Instance segmentation不同于Detection，围绕着这个问题可以展开非常多的方法去做它，甚至是把问题推翻，重新定义一遍instance segmentation然后再来想办法解决它。今天本文就围绕着从MaskRCNN这个开衫鼻祖开始，和大家聊一聊实例分割的发展脉络，以及它的未来发展方向。正在做实例分割方向调研准备在这上面发paper的同学可以深入看一看，顺便点个赞，实在无聊可以转发一波。

实例分割任务Review

实例分割是一个很具有挑战性的任务，我们用一张图来描述它：

从左到右，依次是目标检测任务，语义分割，实例分割任务。从图可以看出，实例分割不仅仅要求分割出物体的mask，识别出它的类别，还需要去区分同一类里面的不同instance。

自从2阶段的目标检测算法大行其道以来，FasterRCNN，各种RCNN的算法层出不穷。继而随着MaskRCNN算法的横空出世，让大家领略了原来目标检测还可以这样玩，许多基于RPN的实例分割算法也被相继提出。这一思想甚至一直影响到如今。比如PANet，MaskScoreRCNN (mask scoring MaskRCNN)等，这些其实都是MaskRCNN以及2 tage目标检测算法的思想延续而来。即通过RPN拿到box的proposal，再接着对这些Proposal进行mask的分割。不得不说，这些方法其实取得了非常大的成功，到目前位置，很多商业级别的算法都是基于MaskRCNN开发的。

但，MaskRCNN实在是太慢了。这就造成了这个算法被禁足在学术界，工业界完全不敢用，造成的latency是不可忍受的，可能就是因为10ms的误差，导致几百万美元的订单飞了。为此，包括学术界在内，大家都在苦思冥想，一直想开发一个足够快，同时精度上又能够和MaskRCNN比拼的实例分割算法。

事实上，除了速度慢以外，MaskRCNN还有一个缺点，既它产生的Mask，永远是从28x28的tiny mask reshape而来。因此，它产出的Mask实际上是很粗糙的。这是由于它的mask分支的resolution被固定在一定的尺寸所导致的。因此，MaskRCNN对于一些大物体同时外边界有很复杂的场景下是不适用的。比如你拿去做大象的检测，大象计数，那么外边界可能就不准确了（什么人会专门检测大象？）

因而，基于这些缺点，一些人就想着去解决它。得益于这几年anchor-free方法的大力发展，大家都发现，基于anchor-free来做实例分割，好像是一个不错的idea，于是就有了很多基于CenterNet，FCOS等方法改进的实例分割算法，比如CenterMask，BlendMask，等等。下面这张图，来自于SOLOv2的paper，可以看看这些年实例分割算法的精度演化情况：

本篇文章不仅仅会概括实力分割发展的脉络，也会归纳一下，评判一下不同方法的优缺点。

事实上，本文开篇就提到了一个问题：实例分割这个领域和目标检测不一样, 你可以有无数种方法来定义实例分割. 为什么这么说呢？请继续看：

Mask的表征方式

许多学者其实已经意识到了这个问题，通过不同的途径来表征Mask，可以得到声东击西、曲线救国之功效，而mask的表征方式大家最熟悉，最直观的方式也就是binary的方法，也就是一个矩阵，里面放着0和1，有1的地方说明有物体，0的地方是背景。还有一些mask的表征方式就比较fancy了，比如把一个binary mask encode成一个固定维数的向量。

局部Mask和全局Mask

局部mask和全局mask的唯一区别在于，局部是拿到box之后，再做分割，从box里面crop出我们需要的mask，而全局mask是直接从图片上去拿到mask。

一图以蔽之：

全局mask带来的优点就是，它很直观，其次它可以以原图的方式来分割出mask，这不会让小物体丢失全局信息，同时也可以让小物体更容易被看见。对于大物体来说，它看的也更加清晰，边界也应当会更加的清晰。

局部mask，就像是MaskRCNN等基于检测的方法所采用的那样，它的mask resize之后，最终会取决于实际物体的大小来决定这个物体的mask质量。它优点其实也很明显，它同样很简单，可以和任何目标检测算法结合起来，同时它应该速度相对来说更快，占用的显存毫无疑问会更小。

基于这种mask表征的方式，我们可以将所有的实力分割算法大致分为两个大类别：

基于局部mask的表征方法；
基于全局mask的表征方法。

局部mask的表征方法

首先我们聊一聊局部mask的表征方法，它从每一个Proposal出来的region提取mask。

通过边框回归表征的局部mask编码

bbox其实是一个很泛化的mask，它只有四个点，实际上只有两个坐标，如果我们把这四个点扩展为32个点会怎么样呢？

这就是ExtremeNet的思想，这篇论文也是CVPR2019. 它通过定位center point以及regression 八个边框点来构建mask。也就是我们传说中的八边形目标检测。这同时也不由得让我想起来最新的那篇PolyYolo：

这篇论文也是在yolo检测基础上，直接拓展了15个angle实现的。严格上来说，它和PolarMask更为相似，他们应该都可以归类到一类吧。不管怎么样，都还是局部Mask的思想为指导。

对PolyYolo比较感兴趣的朋友可以reference源代码：https://gitlab.com/irafm-ai/poly-yolo。我们最近也会重构一个基于tensorflow2.0的版本，尽请期待。

对于PolarMask，这篇CVPR2020的文章，其实也是蛮有意义的，等于说是把这个问题推翻了，重新定义了一遍，再来解决。在这里其实我很想跟大家分享这篇paper：https://arxiv.org/pdf/1908.04067.pdf ESESeg。

这篇论文来自于上海交大。文章采用了一个新颖的形状签名的方式，采用切比雪夫多项式来拟合每一个形状的内心半径，得到物体的mask。据说这个方法在VOC上超越了maskrcnn，以7倍的速度。

当然大家感兴趣也可以点进去看看paper。最后它也是没有超越我们框定的范畴，也是基于局部mask的方式，它可以和yolov3连接，也可以和其他任何SOTA的检测器链接，做成一个实例分割框架。

但，最后，就我个人而言：

虽然ESE-Seg生成的mask比那些基于若干个angle的方式要好，但still，看起来依旧很不对味，简单来说，没有那个味儿。。你懂吧？

通过4D的张量构建mask

继续来看一看基于局部mask的mask编码方式。通过4D的tensor来构建，典型的算法就是tensorMask了。4D，其实超越了我一个地球三维生物的维度想象上界，但我们可以剥开一个维度，看看它表征的是什么？

wh可以理解，vu可以看做是什么？像素点的坐标？不对，wh就已经包含了位置坐标信息了。应该是中心点在xy坐标处的mask，表示方式就是uv。这个方法要说巧妙吧，倒也满巧妙，毕竟何凯明出品，必出精品，但它的速度竟然比MaskRCNN还慢，有点杀第一百自损三千的赶脚。除此之外它需要更多的训练时间，是MaskRCNN训练时间的6倍。这简直无法忍受。

精巧的Mask编码方式

事实上，虽然都是局部mask编码方式，但是contour base和mask-based有着天然的缺点。比如这样：

你contour based就没有办法有效的表征里面的洞了。于是大家就在想，有没有办法可以让mask又高效同时又准确，还能表示这样的洞呢？

今年最近的论文MEInstance里面就提到了一个方法，将mask编码成一个统一的Matrix，它可以illustrate like this：

这个编码方式是很精妙的，完美的规避了端到端对齐的问题，什么事端到端对齐？一张图片里面的box数目，box大小都是不一样的，因此MaskRCNN这样的局部Mask的分割方式都会不可避免的引入RoIAlign这样的操作，导致了每一个batch都需要一个对齐的操作。MEInst这里做的工作就是一个标准化。不过令人遗憾的是，理想很丰满，但是现实却很骨感，虽然论文证明了这种表征方式可行，速度却没有和MaskRCNN高出多少，源自于这里面的编码和解码的操作比较耗时。

全局Mask表征方式

接着，我们来看一看思路完全不一样的实例分割方法。事实上，这个分支才是目前比较主流的，onestage的实例分割方法。全局Mask通过预测图片里面每一个可能存在的Mask，来构建整张图片的所有instance。

这些方法可以说是主流和先驱，他们可以简单的归结一下：

Yolact: yolact 是第一个做到realtime的实例分割算法，尽管它的精度不是很高。yolact将整个任务拆分为了两个部分，一个部分是得到类似于FCN的语义分割结果，prototype，另外一个分支来拿到box，通过融合box和prototypes，得到mask和对应的box。实际上，这里面全局的Mask就被使用了，尽管你察觉不到。通过box来crop全局的mask淹没，其实大概率就可以找到对应的mask，然后再对这个mask进行一个学习，就可以回归出一个完整的Mask。

这里面还有一个十分值得注意的点，由于yolact里面采用了全局的Mask，并且最终生成的mask质量只取决于全图的分辨率，与mask的数目无关，这就使得yolact在计算mask的速度上，可以和mask的数目无关，它是一个常量。这也是Yolact速度比较快的原因之一；

InstanceFCN 和 FCIS: 这两个算法应该比MaskRCNN还老，可以说是实例分割的鼻祖的鼻祖了。这两个方法也使用了全局的Mask，只不过在FCIS里面，它是通过psroi来判断mask是否存在于某个position里面，它存在着ROI的操作，也是得这个方法比较复杂；
BlendMask: 最新的BlendMask，个人认为，是一个比较精妙，精度很高，速度也做的很快的方法。你如果仔细思考BlendMask的做法，你会看到MaskRCNN的引子，但是也会看到Yolact的引子。因为它依赖于detector，同时也用到了全局的Mask。这篇paper，在它的Blender模块里面，使用了全局的Mask，同时通过FCOS检测到的position来融合局部的mask和对应位置的全局Mask，进而得到一个更加准确的Mask回归。结果也确实如此，BlendMask渲染出来的Mask边框更加完美。

ConsInst: 最后是ConsInst，个人认为，ConsInst应该是目前最有潜力的一个，它可以做到Realtime高速，同时保证高精度，最重要的是简单！CondInst更进一步，彻底的去掉了detector，完全完全的不需要检测器来辅助了。

仔细看ConsIns的架构，会发现，它的思路和SOLO有点像，直接输出原图中的全局Mask，只不过它的mask只负责输出mask，不负责输出类别，这一点和SOLO不同，与此同时，最终的mask排列顺序会和类别有一个匹配的过程，这样你才能知道哪一个mask是哪一个类别不是吗？最后，期待ConsInst开源...

总结一下，事实上，回过头去看，你会发现，BlendMask也好，CenterMask也罢，包括ConsInst，他们都是Yolact的扩展。为什么这么说呢？

BlendMask/CenterMask如同我们上面分析总结的那样，它需要一个检测器来辅助，得到全局Mask里面的局部mask信息，而全局的mask又辅助局部mask的优化和回归，从这个角度将，简直就是和Yolact一脉相承，说不定真的是收到了Yolact的启发也说不定；
ConsInst直接输出全局的mask可能的位置，这个和Yolact何其的相似，只不过Yolact的作者发现好像我并没有办法把他们分开，而ConsInst的作者们做到了;

最后，我们再来讲一讲最新的SOLO和SOLOv2.

SOLO系列算法，给我的感觉就是两个字，牛逼。为什么呢？它仿佛就是在告诉你：

We did instance segmentation by stack convolutions without any bells and whistles.

通常在论文里面说这句话的人，我都是五体投地，跪拜大神的。为什么呢？就比方说有人用一个小学生都能看懂的方法推导出了泰勒展开，你能说不牛逼么。话说回来，SOLO这个系列的方法，确实简单，简单是简单，但是人家work啊，还有啥好说的呢？不服自己做实验去。

PS：不知道是我运气的原因，还是财力不够（没卡），我用4块GPU train SOLOv2，没有一个版本的work的。loss震荡剧烈，感兴趣的朋友也可以加入我们的社群，一起来讨论交流一下：

http://t.manaai.cnt.manaai.cn

言归正传，关于SOLO这个算法的解释，其实原作者有一个很详细的解释了：

如何看待SOLO: Segmenting Objects by Locations，是实例分割方向吗？

https://www.zhihu.com/question/360594484/answer/936591301

我这里结合本文的核心论述说一下，其实SOLOv2也可以归纳到全局Mask这个范畴，就如下图所示。它直接预测全局的Mask，同时通过Mask的构建方式来区分类别。

总结：

到目前为止，SOLOv2和ConsInst应该是真正的work，高速并且Box-Free的实例分割算法.

请注意，这里提出了一个新的名词，BoxFree, 就和anchofree一样，box就是实例mask的anchor，我们也可以去掉它。

干货

最后论文的干货如下：

通过更高维度的encoding来表征Mask是很棘手的问题，现在大多数的算法都把mask encoding在低纬度，比如20到200，事实上可能也是这个方法的瓶颈所在，不然大家都用更高的了；
手工制作的contour的方法，不是很好的办法，这类方法看起来没啥前途，事实上我的其他post也讲到过实例分割的用途，一个最大的用途就是在无人驾驶里面用，如果你的Mask不够准，我也就没啥用了；
局部Mask的方法大多数依赖于detector，我任务这样的方法过于复杂了，它也没有使得精度提高多少，反而使得部署过于困难，比如BlendMask需要全局的mask和location融合，还会引入类似于ROIAlign和ROIPooling的操作，在后处理阶段，实际使用上是很复杂的；
全局的Mask表征有时候比较昂贵，显存和速度都可能成为瓶颈，ConsInst这种方式其实应该速度会比SOLOV2慢一点，因为它的分支数更多；
SOLOv2这个思路延续下去，或许会有更好的方法产生。
我不知道SOLOV2难以训练是开源代码存在的问题，还是算法本身就比较难以训练，这里面存在着一些问题值得探寻。