【计算机视觉 | 目标检测】Grounding DINO：开集目标检测论文解读

素颜马尾好姑娘i 2023-09-27 20:25 166阅读 0赞

介绍一篇较新的目标检测工作：

Grounding DINO: Marrying DINO with Grounded Pre-Training for Open-Set Object Detection

![在这里插入图片描述][ace01acd03db486bb9b73afa6d3ad715.png]  
论文地址为：

https://arxiv.org/pdf/2303.05499.pdf

github 地址为：

https://github.com/IDEA-Research/GroundingDINO

#### 文章目录 ####

*  一、摘要
 *  二、优点
 *  三、Grounding DINO 模型
 *   *  3.1 Feature Extraction and Enhancer
     *  3.2 Language-Guided Query Selection
     *  3.3 Cross-Modality Decoder
     *  3.4 Sub-Sentence Level Text Feature
     *  3.5 损失函数
 *  四、一些可视化结果

## 一、摘要 ##

作者展示一种开集目标检测方案：**Grounding DINO**，将将基于 **Transformer** 的检测器 **DINO** 与真值预训练相结合。

开集检测关键是引入 **language** 至闭集检测器，用于开集概念泛化。作者将闭集检测器分为三个阶段，提出一种紧密融合方案，包括 **feature enhancer**、**language-guided query selection**、**cross-modality decoder**。

作者除了对新颖类别进行检测还进行特定属性目标识别。在 **COCO** 数据集上零样本检测达到 52.5 **AP**，在 **COCO** 数据集 **finetune** 后达到 63 **AP**。

## 二、优点 ##

**Grounding DINO** 相对于 **GLIP** 有以下优势：

1.  基于 **Transformer** 结构与语言模型接近，易于处理跨模态特征；
2.  基于 **Transformer** 的检测器有利用大规模数据集的能力；
3.  **DINO** 可以端到端优化，无需精细设计模块，比如：**NMS**。

目前开集检测器由闭集检测器引入语言信息实现，如下图所示：

![在这里插入图片描述][e44fce41a824406a80d54608f9b2519c.png]

闭集检测器通过学习关注语言的区域编码，每个区域可分类为新类别，实现的关键是使用对比损失约束 **neck** 及 **head** 的区域输出及对应语言特征。

所以本文取得的成就为：

1.  提出 **Grounding DINO** 通过多阶段跨模态融合改进开集目标检测器；
2.  进一步在对 **REC**（**Referring Expression Comprehension**，目标指代物理解）数据集进行评估；
3.  在**COCO**, **LVIS**, **ODinW**, and **RefCOCO** 数据集证明其有效性。

## 三、Grounding DINO 模型 ##

![在这里插入图片描述][a7deb03003ba4db986008b2936f09bed.png]

对于图片、文本对，**Grounding DINO** 可以输出多对目标框及对应名词短语。

**Grounding DINO** 采用双编码器，单解码器结构。

图像 **backbone** 用于提取图像特征，文本 **backbone** 用于提取文本特征，特征增强用于融合图像及文本特征，语言引导的 **query** 选择模块用于 **query** 初始化，跨模态解码器用于框精细化。

流程如下：

1.  图像及文本 **backbone** 分别提取原始图像及文本特征；
2.  特征强化模块用于跨模态特征融合；
3.  通过语言引导查询选择模块从图像特征中选择与文本对应的跨模态 **query**；
4.  跨模态解码器从跨模态 **query** 中提取需要特征，更新 **query**；
5.  输出 **query** 用于预测目标框及提取对应短语。

### 3.1 Feature Extraction and Enhancer ###

**Swin Transformer** 用于提取图像特征，**BERT** 用于提取文本特征，特征强化层如上图中 **block2**，利用 **Deformable self-attention** 强化图像特征，原始的 **self-attention** 强化文本特征，受 **GLIP** 影响，增加图像到文本跨模态以及文本到图像跨模态，帮助对齐不同模态特征。

### 3.2 Language-Guided Query Selection ###

为引导文本进行目标检测，作者设计语言引导的 **query** 选择机制选择与文本更相关的特征作为解码器的 **query**。

算法下图所示。输出 **num\_query** 索引，据此初始化 **query**。

每个 **decoder query** 包括两部分： **content** 及 **position**。

位置部分公式化为 **dynamic anchor boxes**，使用编码器输出进行初始化；内容部分训练中可学习。

![在这里插入图片描述][8973323b5ff745f7bf246c47c0b8da08.png]

"""
    Input:
    image_features: (bs, num_img_tokens, ndim)
    text_features: (bs, num_text_tokens, ndim)
    num_query: int.
    Output:
    topk_proposals_idx: (bs, num_query)
    """
    logits = torch.einsum("bic,btc->bit",
    image_features, text_features)
    # bs, num_img_tokens, num_text_tokens
    logits_per_img_feat = logits.max(-1)[0]
    # bs, num_img_tokens
    topk_proposals_idx = torch.topk(
    logits_per_image_feature,
    num_query, dim = 1)[1]
    # bs, num_query

上面这段代码实现的功能是计算图像特征和文本特征之间的相似度得分。

具体来说，输入两个特征张量 **image\_features** 和 **text\_features**，其中 **image\_features** 的维度为 **(bs, num\_img\_tokens, ndim)**，**text\_features** 的维度为 **(bs, num\_text\_tokens, ndim)**，**bs** 表示 **batch size**，**num\_img\_tokens** 和 **num\_text\_tokens** 分别表示图像特征和文本特征的总数，**ndim** 则表示特征维度。

代码首先使用 **torch.einsum** 函数计算两个特征张量之间的得分矩阵 **logits**，其中 **bic** 表示 **image\_features** 张量的维度（**batch size** x **num\_img\_tokens** x **ndim**），**btc** 表示 **text\_features** 张量的维度（**batch size** x **num\_text\_tokens** x **ndim**），**bit** 表示输出得分矩阵的维度（**batch size** x **num\_img\_tokens** x **num\_text\_tokens**）。计算方法为将 **image\_features** 张量的第二个维度和 **text\_features** 张量的第二个维度进行矩阵乘法，得到 **logits** 张量。得分矩阵中的每个元素表示一个图像特征与一个文本特征之间的得分。

接下来，代码使用 **logits.max(-1)\[0\]** 得到 **logits\_per\_img\_feat** 张量，该张量的维度为 (**bs**, **num\_img\_tokens**)，其中每个元素表示一个图像特征与所有文本特征之间的最大得分。具体来说，**logits.max(-1)** 得到一个长度为 2 的元组，第一个元素是最大值张量，维度为 (**bs**, **num\_img\_tokens**)，第二个元素是最大值索引张量，维度为 (**bs**, **num\_img\_tokens**)。因为我们只需要最大值张量，所以使用 **\[0\]** 表示取出最大值张量。

在下一行代码中，使用 **torch.topk** 函数得到每个图像特征对应的前 **num\_query** 个文本特征的索引。具体来说，该函数用于在某个维度上寻找前k个最大值。在本例中，**logits\_per\_image\_feature** 张量的每个元素表示一个图像特征与所有文本特征之间的最大得分，因此 **torch.topk** 函数在第二个维度上找到前 **num\_query** 个最大值，结果保存到 **topk\_proposals\_idx** 张量中，维度为 (**bs**, **num\_query**)。

### 3.3 Cross-Modality Decoder ###

跨模态解码器结合图像及文本模态信息，如上图 **block3**，跨模态 **query** 经过 **self-attention** 层，**image cross-attention** 层与图像特征结合，**text cross-attention** 层与文本特征结合，以及 **FFN** 层。与 **DINO** 相比，每个解码器都有一个额外的文本 **cross-attention** 层，引入文本信息，便于对齐模态。

### 3.4 Sub-Sentence Level Text Feature ###

之前工作中探究了两种文本 **prompt**，如下图。

句子层级表征将整个句子编码为一个特征，移除了单词间影响；单词级表征能够编码多个类别，但引入不必要依赖关系；为避免不相关单词相互作用，作者引入 **attention mask**，此为 **sub-sentence** 级表征，既保留每个单词特征，又消除不相关单词间相互作用。

![在这里插入图片描述][931c30fa50474ad29734e6992ecd4e3d.png]

### 3.5 损失函数 ###

类似 **DETR**，作者使用 **L1** 损失及 **GIOU** 损失用于框回归；沿用 **GLIP**，对预测目标是否匹配文本使用对比损失约束。

## 四、一些可视化结果 ##

![在这里插入图片描述][319b729e0f0a43c0916d7ace5fd9a440.png]

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