SCRDet：遥感旋转目标检测方法解读

2020 年 2 月 18 日 CVer

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作者：yangxue（论文一作）

https://zhuanlan.zhihu.com/p/107400817

本文已由原作者授权，不得擅自二次转载

一、遥感目标检测

遥感目标检测其实是一个比较有意思的研究领域。由于遥感图像是俯瞰拍摄的，其包含的空间场景更大更复杂，包含的种类和数量更多。从检测框形式划分，遥感目标的检测可以分成水平检测和旋转检测两种。遥感目标检测难点主要包括小目标（small objects）、密集（cluttered arrangement）、方向任意（arbitrary orientations），我将结合自己ICCV2019的一篇文章进行介绍，文章链接如下：

http://openaccess.thecvf.com/content_ICCV_2019/papers/Yang_SCRDet_Towards_More_Robust_Detection_for_Small_Cluttered_and_Rotated_ICCV_2019_paper.pdf

二、SCRDet检测器

首先，文章认识到了遥感目标检测所面临的以上三个问题，针对这些问题进行改进：

对于小目标：通过特征融合和anchor采样角度出发设计了一个特征融合结构。
对于密集排列问题：设计了一个有监督的多维注意力网络以减少背景噪声的不利影响。
对于任意方向问题：通过添加IoU常数因子设计了一种改进的平滑L1损失，该因子专门用于解决旋转边界框回归的边界问题。

整个框架是基于Faster RCNN的，主要包含SF-Net、MDA-Net和IoU-Smooth L1 Loss，结构图如下：

1. SF-Net

小目标检测一直是较难克服的一个问题，这在遥感图像中尤其突出。文章认为特征融合和有效的采样是较好检测小目标的关键。对于anchor-based来说，anchor的铺设方式直接影响正样本采样率。经典的anchor铺设方式和特征图的分别率有关，也就是anchor铺设的步长（C2-C5上的anchor步长分别是4,8,16,32）。随着网络加加深，特征图分辨率下降，anchor的步长扩大，常常会导致小目标的采样丢失，如下图所示：

通过这样的发现，文章通过resize的方式选取了一个合适的特征图分别率，尽可能保证小目标都被采样到，再加上简单的特征融合保证丰富的语义信息和位置信息。在这里之所以不使用C2，是因为遥感目标检测会设置较多的尺度和比例，那么在C2这个特征图上面的anchor就变得太多了，而且在遥感数据集中最小的目标一般也都在10像素以上（特指DOTA1.0，DOTA1.5则给出了像素10以下的标注）。

SF-Net的结构图如下：

SF-Net

由于论文是基于Faster RCNN出发的，因此没有考虑FPN这种做法。但是在实际的应用过程中，用了这么多检测方法我还是觉得FPN真香，顺便给出两个我自己写的基于TF的两个代码（Faster RCNN和FPN），非常适合需要入门的人使用，欢迎star：

https://github.com/DetectionTeamUCAS/Faster-RCNN_Tensorflow

https://github.com/DetectionTeamUCAS/FPN_Tensorflow

虽然SF-Net这个结构真的挺土的，但是对于我来说在遥感检测尤其是小目标检测还是有一些启发的，就是anchor-based方法要充分保证RPN的召回。增加anchor这种做法是暴力的，一个较大的副作用就是检测器变得非常慢，因此我对anchor-free方法在遥感上的应用还是很期待的，目前我的师弟在这方法已经有了初步的进展：

https://arxiv.org/abs/1912.10694

https://arxiv.org/abs/2001.02988

2. MAD-Net

由于遥感图像背景的复杂性，RPN产生的建议区域可能引入大量噪声信息，如下图所示。

过多的噪音可能会混淆物体信息，物体之间的界限将变得模糊，导致漏检并增加虚警。因此，有必要增强物体特征并削弱非物体特征。为了更有效地捕捉复杂背景下小物体的特征，文章设计了一种有监督的多维注意力网络（MDA-Net），如下图所示。具体来说，在基于像素的注意网络中，特征图F3通过具有不同大小卷积核进行卷积运算，学习得到双通道的显著图（参见上图d）。这个显著图显示了前景和背景的分数。选择显著图中的一个通道与F3相乘，得到新的信息特征图A3（参见上图c）。需要注意的是，Softmax函数之后的显着图的值在[0,1]之间。换句话说，它可以降低噪声并相对的增强对象信息。由于显著图是连续的，因此不会完全消除背景信息，这有利于保留某些上下文信息并提高鲁棒性。

MDA-Net

其实这个模块现在也是被用的比较烂了，就是空间注意力加通道注意力的组合。但在实际的应用过程中，空间注意力在遥感检测真的是非常有用的，我在打比赛的时候基本会加上。讲到这里其实就是我投CVPR2019的文章（R2CNN++: Multi-Dimensional Attention Based Rotation Invariant Detector with Robust Anchor Strategy），结果当然是被惨拒，在ICCV2019也是被说是增量性的贡献。我当然是比较同意的，这本就是我早期刷DOTA榜单的一个总结，ICCV2019之所以会中主要是因为第三个部分。

3. IoU-Smooth L1 Loss

首先我们要先了解一下两种旋转边界框的两种常见的方式。

SCRDet是采用的opencv 表示法。在当前常用的旋转检测框的角度定义下，由于存在旋转角度的边界问题，会产生不必要的损失，如下图所示：

最理想的角度回归路线是由蓝色框逆时针旋转到红色框，但由于角度的周期性，导致按照这个回归方式的损失非常大（参见上图右边的Example）。此时模型必须以更复杂的形式回归（例如蓝色框顺时针旋转，同时缩放w和h），增加了回归的难度。为了更好地解决这个问题，我们在传统的smooth L1 损失函数中引入了IoU常数因子。在边界情况下，新的损失函数近似等于0，消除了损失的突增。新的回归损失可分为两部分，smooth L1回归损失函数取单位向量确定梯度传播的方向，而IoU表示梯度的大小，这样loss函数就变得连续。此外，使用IoU优化回归任务与评估方法的度量标准保持一致，这比坐标回归更直接和有效。IoU-Smooth L1 loss公式如下：

可以看一下两种loss在边界情况下的效果对比：

导致这种原因的根本原因我觉得是角度的预测超出了所定义范围。其实解决这种问题的方法并不唯一，RRPN和R-DFPN在论文的loss公式中就判断了是不是在定义范围内，通过加减来缓解这个问题，但这种做法明显不优美而且仍然存在问题，主要是较难判断超出预测范围几个角度周期。当然可以通过对角度部分的loss加一个周期性函数，比如tan、cos等三角函数来做，但是我在实际使用过程中常常出现不收敛的情况。对于边界问题，我其实还做了其他方法的研究，会在以后的文章中详细讨论。

关于IoU-Smooth L1 Loss，我是在转投ICCV2019的ddl之前临时加的，没想到成为中稿的关键，真的是无心插柳柳成荫。因此我将SCRDet拆成R2CNN++和IoU-Smooth L1 Loss两部分单独开源：

https://github.com/DetectionTeamUCAS/R2CNN-Plus-Plus_Tensorflow

https://github.com/DetectionTeamUCAS/RetinaNet_Tensorflow_Rotation

IoU-Smooth L1 Loss是在RetinaNet旋转检测代码上进行检验的，发现效果出奇的好，从62.25涨到68.65，但也发现稍微改动配置文件就NAN，难搞。

4. 实验结果

最终实验主要是在DOTA数据集上进行的，在当时也算是SOTA的论文。

消融实验：

对比实验：

对于DOTA感兴趣的朋友，可以关注我的一个repo，这里面记录了关于DOTA的论文以及相关代码统计，如果没有统计到的也可以直接提issue，我会及时加上。

https://github.com/SJTU-Thinklab-Det/DOTA-DOAI

三、总结

总的来说，这篇文章并不算是让我满意的文章，但也算是为遥感检测敲开CV大门做了一点小贡献，并特别感谢DOTA数据集为遥感进军CV领域做出的巨大贡献。我也会在之后陆续介绍我在遥感目标检测领域新的想法和研究成果。

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