NeurIPS 2019 | 国科大、厦大联合提出FreeAnchor：一种新的anchor匹配学习法

FreeAnchor：Learning to Match Anchors for Visual Object Detection

论文地址：

https://static.aminer.cn/misc/pdf/1909.02466.pdf

开源地址：

https://github.com/zhangxiaosong18/FreeAnchor

论文作者：

Xiaosong Zhang， Fang Wan， Chang Liu， Rongrong Ji， Qixiang Ye（中国科学院大学，厦门大学）

前言

本文将对NeurIPS2019会议论文《FreeAnchor：Learning to Match Anchors for Visual Object Detection》进行解读。为了打破IoU（Intersection-over-Unit）的限制，作者提出了一种新的anchor匹配学习的方法，允许以灵活的方式来匹配目标与anchor，称为“FreeAnchor”。FreeAnchor通过将目标检测器训练转换为最大似然估计（MLE）过程，实现将hand -crafted设定的anchors更新为“free”方式产生的anchors。在COCO的实验表明，FreeAnchor在性能上显著超过同类方法。

研究现状

为了表示具有有限卷积特征的各种外观，宽高比和空间布局的目标，大多数基于CNN的检测器都用多个比例和宽高比的anchor boxes作为目标定位的参考点，通过分配给每个目标若干个anchors，可以确定features并执行分类和定位。基于anchor的检测器通常利用空间对齐方式（即目标与anchor之间的IoU）作为anchor分配依据，并以hand-crafted方式选择。一方面，对具有倾斜特征的目标（如细长目标），其最具代表性的特征并不靠近目标中心。因此，空间对齐的anchor可能对应较少的features，会降低分类和定位能力。另一方面，当多个目标组合在一起时，使用IoU匹配适当的anchors则更为困难。由此可见，很难设计一种通用的规则，可以将anchors/features与各种几何布局的目标进行最佳匹配。

为了打破预先分配anchors的限制， anchor-free方法采用了像素级监督【1】和中心位置边界框回归【2】。CornerNet【3】和CenterNet 【4】用关键点学习替换了边界框学习。MetaAnchor【5】方法学习从带有子网络的任意自定义的先验框中生成anchors。GuidedAnchoring 【6】利用语义特征来指导anchors的预测，同时用预测的anchors替换密集的anchors。IoU-Net【7】结合了IoU引导的NMS（Non-Maximum Suppression，非极大值抑制），这有助于消除由误导的分类置信度引起的回归失败。

但在检测器训练期间仍然缺乏一种系统的方法来对anchors和目标之间的对应关系进行建模，这阻碍了features选择和学习的优化。

图1：hand-crafted anchor分配（顶部）和FreeAnchor（底部）的比较。

FreeAnchor允许每个目标在检测器训练期间从一组anchors中灵活匹配最佳的anchor。

方法

实验

 • 模型效果（Model Effect）

如图5所示，对于方形目标类别， FreeAnchor的性能相当于RetinaNet。但在细长目标上，FreeAnchor性能明显优于RetinaNet。其原因在于，FreeAnchor激活每个目标的anchors集合内的至少一个anchor，以便预测正确的类别和位置，且激活的anchor不一定与目标空间对齐，只需有对分类和定位的最具代表性的features。

图5：正方形和细长对象的性能比较。

作者进一步比较了在各种拥挤情况下RetinaNet和FreeAnchor的性能，如图6所示。随着每个图像中目标数量的增加，FreeAnchor优势越来越明显。

图6：目标拥挤情况下的性能比较。

为了评估anchors预测与NMS的兼容性，作者将NMS召回率NR_τ 定义为在给定IoU阈值τ下NMS前后的召回率之比。遵循COCO中AP的定义方式，NR定义为τ以0.05为间隔变化，从0.50到0.90中NR_τ 的平均值。实验结果如表1 所示，FreeAnchor的NR_τ 显著高于RetinaNet。

 • 检测性能（Detection Performance）

表2为FreeAnchor与RetinaNet的性能比较，FreeAnchor可将AP提升3.0%左右，这对通用目标检测任务来说是一个显著提升。

表3所示为FreeAnchor和其他方法的对比。FreeAnchor使用的ResNeXt-64x4d-101骨干网络少，训练迭代次数少，但在AP方面可与CenterNet相媲美（分别为44.9%和44.9%），尤其AP50性能更为突出。 

总结

作者提出了一种用于视觉目标检测的FreeAnchor方法。FreeAnchor通过将目标检测器训练转换为最大似然估计（MLE）过程，将hand-crafted的anchor分配更新为“free”的目标与-anchor对应。实验结果表明，FreeAnchor显着提高了目标检测的性能。

参考文献：

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【2】Zhi Tian, Chunhua Shen, Hao Chen, and Tong He. Fcos: Fully convolutional one-stage object detection. arXiv: 1904.01355, 2019

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【4】Kaiwen Duan, Song Bai, Lingxi Xie, Honggang Qi, Qingming Huang, and Qi Tian. Centernet: Object detection with keypoint triplets. In IEEE CVPR, 2019

【5】Tong Yang, Xiangyu Zhang, Zeming Li, Wenqiang Zhang, and Jian Sun. Metaancho: Learning to detect objects with customized anchors. In NIPS, pages 320-330, 2018

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【8】Ross B. Girshick. Fast R-CNN. In IEEE ICCV, pages 1440-1448, 2015

【9】Joseph Redmon and Ali Farhadi. YOLO9000: better, faster, stronger. In IEEE CVPR, pages 6517-6525, 2017

【10】Tsung-Yi Lin, Priya Goyal, Ross B. Girshick, Kaiming He, and Piotr Dollár. Focal loss for dense object detection. In IEEE ICCV, pages 2999-3007, 2017

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