《ExtremeNet：Bottom-up Object Detection by Grouping Extreme and Center Points》论文笔记

亦凉 2021-12-10 12:51 222阅读 0赞

代码地址：[ExtremeNet][]

# 1. 概述 #

> 导读：现有的一些检测算法使用近乎枚举的方式列出目标的位置，并判别其中的每一个是否为目标。这篇文章中提出了一个新的基于非anchor机制的检测网络ExtremeNet，这个网络使用一个标准的关键点预估网络预测4个极值点（左右边界极值点以及上下边界极值点）与一个目标中心点。要是这5个点符合几何关联性那么这几个点就组成一个检测框。因而目标检测问题就转换为了关键点检测，从而去掉了分类回归或是隐式特征学习。文章提出的网络结构达到了与目前最佳检测网络比肩的性能表现，在COCO test-dev上达到了 **43.7% AP，速度3.1FPS**。此外直接通过检测出的极值点扩展得到8边形（极值点扩展 1 8 \\frac\{1\}\{8\} 81得到）分割掩膜在COCO上达到了18.9%的AP，进而基于极值点的分割可以将分割性能进一步提升到34.6%。

下图是文章算法的检测结果示例：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21fYnVkZHk_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
这篇文章提出一个bottom-up的目标检测框架ExtremeNet，提取目标的左右上下极值点与一个中心点。使用state-of-art的特征点检测架构去提取极值点，对于每个分类的类别生成5个heatmap（四个极值点和一个中心点）。使用纯几何方法组合同一目标的极值点：四个极值点的几何中心与预测的中心点heatmap匹配且高于阈值（暴力枚举，时间复杂度 O ( n 4 ) O(n^4) O(n4)，不过n一般非常小，在COCO中 n ≤ 40 n\\le 40 n≤40，而且是在GPU上实现）。图2展示了文章算法的大致流程。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21fYnVkZHk_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
图2 展示了算法的大致流程。首先产生四个预测极值点的heatmap（图2顶部）和一个预测中心点的heatmap（图2左下），提取极值点heatmap的峰值（图2中左），暴力枚举所有组合，计算几何中心（图2中右），如果几何中心与中心heatmap高度匹配，则接受该组合，否则拒绝（图2右下）。

在这篇论文之前有人提出了CornerNet的目标检测算法，该算法使用一对角点来进行目标定位。这篇文章的算法在关键点定义与组合上有所不同。在CornerNet中角点经常是在目标的外部，并没有很强的表面特征。而文章中提出的极值点是在目标上的，是视觉可分并且具有局部视觉特征。文章提出的方法完全是基于图片表面信息的，并没有任何隐式特征学习，且经过实验证明基于表面特征的检测工作更佳。

该算法与CornerNet的区别在于关键点定义和组合：

*  1）CornerNet采用左上和右下角点，角点往往不在目标上，没有较强的外观特征；而ExtremeNet采用极值点，极值点在目标上，容易区分且具有一致的局部外观特征；
 *  2）CornerNet点对组合是根据embedding vector的距离，而ExtremeNet则是根据几何中心点。ExtremeNet完全基于外观，没有任何的隐特征学习；

# 2. 方法设计 #

## 2.1 基础部分 ##

**极值点的表示**  
在传统的检测标注中使用 ( x ( t l ) , y ( t l ) , x ( b r ) , y ( b r ) ) ) (x^\{(tl)\},y^\{(tl)\},x^\{(br)\},y^\{(br)\})) (x(tl),y(tl),x(br),y(br)))，分别表示目标框的左上角和右下角的点。而在这篇文章中使用的是不同的标注方式，使用 ( ( x ( t ) , y ( t ) ) , ( x ( l ) , y ( l ) ) , ( x ( b ) , y ( b ) ) , ( x ( r ) , y ( r ) ) ) ((x^\{(t)\},y^\{(t)\}), (x^\{(l)\},y^\{(l)\}), (x^\{(b)\},y^\{(b)\}), (x^\{(r)\},y^\{(r)\})) ((x(t),y(t)),(x(l),y(l)),(x(b),y(b)),(x(r),y(r)))来表示目标在上下左右边界上的极值，因而一个检测框就可以使用4个值： ( x ( l ) , y ( t ) , x ( r ) , y ( b ) ) (x^\{(l)\}, y^\{(t)\}, x^\{(r)\}, y^\{(b)\}) (x(l),y(t),x(r),y(b))来确定了，对于中心点其定义为： ( x ( l ) + x ( r ) 2 , y ( t ) + y ( b ) 2 ) (\\frac\{x^\{(l)\}+x^\{(r)\}\}\{2\}, \\frac\{y^\{(t)\}+y^\{(b)\}\}\{2\}) (2x(l)\+x(r),2y(t)\+y(b))。

**损失函数**  
这篇文章中借鉴了CornerNet中关键点定位的损失函数，它是使用修改的focal loss来平衡定位的正负样本比例，其形式如下：  
![在这里插入图片描述][201907132322099.png]  
其中， α , β \\alpha,\\beta α,β是超参数，实验中将其固定为 α = 2 , β = 4 \\alpha=2,\\beta=4 α=2,β=4。 N N N是图像中目标的个数。  
由于网络在下采样过程中会引入偏移 Δ ( a ) \\Delta^\{(a)\} Δ(a)，文章也是借鉴CornerNet引入了对位置的修正，这里使用的回归损失函数是：  
![在这里插入图片描述][2019071323222674.png]  
其中， s s s是下采样的系数（对于Hourglass其值为4）， x ⃗ \\vec\{x\} x也就是关键点的坐标了。

## 2.2 网络结构 ##

文章提出的ExtremeNet的大致网络结构见图3所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21fYnVkZHk_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
输入的图像经过Hourglass之后会生成 5 ∗ C + 4 ∗ 2 5\*C+4\*2 5∗C\+4∗2的特征图（ C C C为分类的数量），前面的一部分代表4个极值点和一个中心点，后面的部分就是代表每个极值点的偏移系数了。

## 2.3 Center Grouping ##

特征点检测网络输出关键点包含了中心点的heatmap： Y ^ ∈ ( 0 , 1 ) H ∗ W \\hat\{Y\}\\in (0,1)^\{H\*W\} Y^∈(0,1)H∗W，4个极值点heatmap： Y ^ ( t ) , Y ^ ( l ) , Y ^ ( b ) , Y ^ ( r ) \\hat\{Y\}^\{(t)\}, \\hat\{Y\}^\{(l)\}, \\hat\{Y\}^\{(b)\}, \\hat\{Y\}^\{(r)\} Y^(t),Y^(l),Y^(b),Y^(r)，这这些特征图中使用一个 3 ∗ 3 3\*3 3∗3的滑窗去寻找极值点（窗口中取最大值），并且该极值需要大于 τ p = 0.1 \\tau\_p=0.1 τp=0.1。对于中心点其对应位置处的值应该是大于 τ c = 0.1 \\tau\_c=0.1 τc=0.1的，满足了这些条件才能算得上的一个合适的检测框。对于检测框的阈值是通过对确定检测框的5个要素取均值计算实现的。其具体的计算过程见下面的算法所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21fYnVkZHk_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

## 2.4 Ghost box suppression ##

使用Center grouping会产生一些假阳性的检测结果（文章中将其称之为gost boxes，文章对其定义为包含众多小检测框的检测框），文章对此给出了一些去除的后处理过程，既是通过Soft NMS对这些检测结果进行抑制，要是被包含框的置信度和大于了所在大框的3倍，那么就会将大框的置信度除以2。

## 2.5 Edge aggregation ##

此外，极值点并非总是唯一的，比如一个汽车的极值点可能是水平或竖直的线段，文中极值点的响应是对边缘多个点的弱响应而不是一个点的强响应。这有可能产生几个问题：弱响应可能会被忽略；目标如果发生轻微旋转即便检测到关键点，得分也有很大差异。

作者采用边缘聚集的方法来解决：对于每个极值点（局部最大值点），分别沿水平和垂直两个方向进行聚集，也就是在每个方向上找极值点最近的左右两个局部最小值，在区间内做加权和作为极值点的得分。公式如下所示：  
 Y m ^ = Y ^ m + λ a g g r ∑ i = i 0 i 1 N i ( m ) \\widehat\{Y\_m\}=\\hat\{Y\}\_m+\\lambda\_\{aggr\}\\sum\_\{i=i\_0\}^\{i\_1\}N\_i^\{(m)\} Ym=Y^m\+λaggri=i0∑i1Ni(m)  
其中，m为极值点位置， i 0 , i 1 i\_0,i\_1 i0,i1分别为距离m最近的两个局部最小值。如下图所示，使用边缘聚集策略后，边缘中心的像素点的置信度明显提升：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21fYnVkZHk_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

# 3. 实验结果 #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21fYnVkZHk_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

[ExtremeNet]: https://github.com/xingyizhou/ExtremeNet
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21fYnVkZHk_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20211210/521d3a8227aa46759177cf86e5ed5f50.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21fYnVkZHk_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20211210/0e1fd104b8244b49bda5c5501331e8ed.png
[201907132322099.png]: /images/20211210/7f5a0a5adba04965a8d7daa3c0371af8.png
[2019071323222674.png]: /images/20211210/875b6c912828485ea793104599f34ede.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21fYnVkZHk_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20211210/975a4516edf44c09af82a4be42597023.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21fYnVkZHk_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20211210/b50af060b3a147c39bfc0d6eafa570ce.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21fYnVkZHk_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: https://img-blog.csdnimg.cn/2019071323261224.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21fYnVkZHk=,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21fYnVkZHk_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]: https://img-blog.csdnimg.cn/20190713233054688.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21fYnVkZHk=,size_16,color_FFFFFF,t_70