[Intensive Reading]目标检测(object detection)系列（十一） RetinaNet：one-stage检测器巅峰之作

曾经终败给现在 2024-04-17 05:41 68阅读 0赞

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# 简介：one-stage检测器巅峰之作 #

在RetinaNet之前，目标检测领域一个普遍的现象就是two-stage的方法有更高的准确率，但是耗时也更严重，比如经典的[Faster R-CNN][]，[R-FCN][]，[FPN][object detection_ FPN]等，而one-stage的方法效率更高，但是准确性要差一些，比如经典的[YOLOv2][object detection_ YOLOv2]，[YOLOv3][object detection_ YOLOv3]和[SSD][object detection_ SSD]。这是两类方法本质上的思想不同带来这个普遍的结果，而RetinaNet的出现，在一定程度上改善了这个问题，让one-stage的方法具备了比two-stage方法更高的准确性，而且耗时更低。RetinaNet的论文是[《Focal Loss for Dense Object Detection》][Focal Loss for Dense Object Detection]。

# RetinaNet原理 #

## 设计理念 ##

two-stage方法会分两步完成目标检测，首先生产区域建议框，然后在对框做分类判别和回归矫正，而one-stage方法只有一步就完成了分类判别和bbox的回归。也就是因为这个不同，造成了上面的特点，首先耗时很好理解，因为two-stage有两步，而第二步的子网络要多次的重复输出，所以它不可避免的慢。那么造成two-stage效果好，one-stage效果偏差的本质原因是什么呢？  
是因为anchor box后正负样本的严重不平衡问题导致的，我们举个例子说明有多不平衡，YOLOv2的anchor有845个，SSD的anchor有8732个，更多的anchor提供了更多的假设，对模型的召回率（尤其是小目标）有比较大的意义，但是一张正常的自然图像上，不会有这么多的目标的，这就势必会造成后续任务中的样本不平衡问题，而且由于是one-stage的，更多的anchor带来的好处和更严重的样本不平衡的矛盾没办法在结构上解决。  
那么为什么two-stage方法不收影响呢？two-stage方法也有很多甚至更多的anchor啊，比如FPN有200k个，这和YOLOv2的8k个都不是一个量级了。因为是two-stage的结构，所以区域建议框可以选，想怎么选就怎么选，FPN在三个方面消除正负样本严重失衡的问题：

*  FPN会选择与Ground turth的IOU>0.7的做正样本，与Ground turth的IOU<0.3的做负样本，这拉大正负样本间的差异；
 *  FPN的RPN最后的输出会控制在1000-2000个之间，控制样本数量；
 *  FPN组合每一次用于训练的minibatch，正负样本比例为1:3。

而就是因为one-stage的结构没办法二次筛选样本，那能不能总别的地方改进，进而减小这个影响。这个地方就是损失函数，因为样本的平衡与否，最终要影响要落下损失和优化上。所以RetinaNet提出了Focal loss，解决了正负样本区域极不平衡时目标检测loss易被大批量负样本所左右的问题。

## Focal loss ##

Focal Loss是一种改进的交叉熵损失，一般情况下交叉熵损失在二分类时长这样：

C E ( p , y ) = − \[ y l o g ( p ) + ( 1 − y ) l o g ( 1 − p ) \] CE(p,y)=-\[ylog(p)+(1-y)log(1-p)\] CE(p,y)=−\[ylog(p)\+(1−y)log(1−p)\]  
换一种形式，就变成这样：  
 C E ( p , y ) = \{ − l o g ( p ) i f ( y = 1 ) − l o g ( 1 − p ) o t h e r w i s e CE(p,y)=\\left\\\{\\begin\{matrix\} -log(p) &if (y=1) \\\\ -log(1-p) & otherwise \\end\{matrix\}\\right. CE(p,y)=\{ −log(p)−log(1−p)if(y=1)otherwise  
定义 p t p\_\{t\} pt：  
 p t = \{ p i f ( y = 1 ) 1 − p o t h e r w i s e p\_\{t\}=\\left\\\{\\begin\{matrix\} p &if (y=1) \\\\ 1-p & otherwise \\end\{matrix\}\\right. pt=\{ p1−pif(y=1)otherwise  
那么 C E ( p , y ) = C E ( p t ) = − l o g ( p t ) CE(p,y)=CE(p\_\{t\})=-log(p\_\{t\}) CE(p,y)=CE(pt)=−log(pt)。  
平衡交叉熵损失的一般做法是为正例引入一个因子 α ∈ \[ 0 , 1 \] \\alpha\\in\[0,1\] α∈\[0,1\]，那么对应的，负例的因子就是 1 − α 1-\\alpha 1−α。这里需要注意一下，文中提到了定义因子 α t \\alpha\_\{t\} αt的方式和定义 p t p\_\{t\} pt是相似的，也就说是：  
 α t = \{ α i f ( y = 1 ) 1 − α o t h e r w i s e \\alpha\_\{t\}=\\left\\\{\\begin\{matrix\} \\alpha &if (y=1) \\\\ 1-\\alpha & otherwise \\end\{matrix\}\\right. αt=\{ α1−αif(y=1)otherwise  
有了这个 α t \\alpha\_\{t\} αt之后，平衡交叉熵损失才可以写为：  
 C E ( p t ) = − α t l o g ( p t ) CE(p\_\{t\})=-\\alpha\_\{t\}log(p\_\{t\}) CE(pt)=−αtlog(pt)  
这个公式展开之后其实是这样的：  
 C E ( p , y ) = − \{ α l o g ( p ) i f ( y = 1 ) ( 1 − α ) l o g ( 1 − p ) o t h e r w i s e CE(p,y)=-\\left\\\{\\begin\{matrix\} \\alpha log(p) &if (y=1) \\\\ (1-\\alpha)log(1-p) & otherwise \\end\{matrix\}\\right. CE(p,y)=−\{ αlog(p)(1−α)log(1−p)if(y=1)otherwise  
但是 α \\alpha α是个固定的系数，它没办法去区分哪些样本难，哪些样本容易，所以在平衡交叉熵的基础上，Focal loss做了改进，进入 ( 1 − p t ) γ (1-p\_\{t\})^\{\\gamma \} (1−pt)γ，其中 γ \\gamma γ是一个超参数，所以Focal loss的表达式就是：  
 F L ( p t ) = ( 1 − p t ) γ l o g ( p t ) FL(p\_\{t\})=(1-p\_\{t\})^\{\\gamma \}log(p\_\{t\}) FL(pt)=(1−pt)γlog(pt)  
那为啥这样的形式就比平衡交叉熵好呢？我们假设 γ \\gamma γ为1，系数就变成了 1 − p t 1-p\_\{t\} 1−pt，在这个基础上，我们按照上面的方式展开 F L ( p t ) FL(p\_\{t\}) FL(pt)，其实就是这样子：  
 F L ( p , y ) = − \{ ( 1 − p ) l o g ( p ) i f ( y = 1 ) p l o g ( 1 − p ) o t h e r w i s e FL(p,y)=-\\left\\\{\\begin\{matrix\} (1-p) log(p) &if (y=1) \\\\ p log(1-p) & otherwise \\end\{matrix\}\\right. FL(p,y)=−\{ (1−p)log(p)plog(1−p)if(y=1)otherwise  
由于交叉熵前做了softmax，所以 p p p一定是个正数，这个因子加上不会改变原有损失的符号，然后我们举例说明它怎么区分难易样本， p p p是正样本的预测值：

*  对于一个正例，模型认为它简单，那么 p p p会趋近于1， 1 − p 1-p 1−p会趋近于0，损失就会变小，相反的就会变大。
 *  对于一个负例，模型认为它简单，那么 p p p会趋近于0，损失就会变小，相反的就会变大。

这就对模型的难易做出了不同的loss值，此外Focal loss还有一个超参数 γ \\gamma γ，它起到了对因子成幂次，由于底数一定是一个小于1的数，幂次会拉大 1 − p t 1-p\_\{t\} 1−pt原有的线性倍率。比如 1 − p t 1-p\_\{t\} 1−pt原本是0.1和0.9， γ = 2 \\gamma=2 γ=2时，会变成0.01和0.81，9倍变成了81倍。这种抑制简单样本，促进难样本的方式，其实和IOU>0.7和IOU<0.3有异曲同工之妙。  
加了这东西之后，难易样本区分开了，但是负样本多的问题好像并没有解决掉，所以Focal loss最后又把平衡交叉熵加了回来，实验的时候使用的Focal loss形式是：

F L ( p t ) = α t ( 1 − p t ) γ l o g ( p t ) FL(p\_\{t\})=\\alpha\_\{t\}(1-p\_\{t\})^\{\\gamma \}log(p\_\{t\}) FL(pt)=αt(1−pt)γlog(pt)

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly96aGFuZ3h1LmJsb2cuY3Nkbi5uZXQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
这个实验说明了 α \\alpha α和 γ \\gamma γ选取，在(a)中，对于平衡交叉熵损失，在 α = 0.75 \\alpha=0.75 α=0.75时，效果是最好的，这符合我们在上面分析的结果， α > 0.5 \\alpha>0.5 α>0.5可以抑制负样本，但是在Focal loss中， α = 0.25 \\alpha=0.25 α=0.25和 γ = 2 \\gamma=2 γ=2的时候，效果最好，这可能是因为 ( 1 − p t ) γ (1-p\_\{t\})^\{\\gamma \} (1−pt)γ的引入，影响了 α \\alpha α的选取。

Focal loss是RetinaNet最重要的部分，网络结构、Anchor、损失等其余的东西RetinaNet用的都是之前，我们简单提一下吧。

## 网络结构 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly96aGFuZ3h1LmJsb2cuY3Nkbi5uZXQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
这个是RetinaNet的网络结构，其实就是个[FPN][object detection_ FPN]，但是它要用FPN做one-stage结构，而不再是two-stage，于是第二个阶段就被省略掉了。在[YOLO][object detection_ YOLO]的文章中，我们就说起过RPN和YOLO的区别，当RPN不再只做有没有物体的分类，而是做是什么物体的类别判断，那一个RPN就能完成整套目标检测任务。  
这个思路就在RetinaNet里被使用了，RetinaNet中相当于舍弃了FPN中的Fast R-CNN，改变了FPN中的RPN网络直接做类别的预测。所以RetinaNet中也是有很多子网络的，对应了特征金字塔的层数。  
至于更多细节的东西，就不做介绍了。

## Anchor Box ##

RetinaNet选取Anchor Box的策略和FPN相似，一共有5个不同尺度的特征图，分别是 3 2 2 − 51 2 2 32^\{2\}-512^\{2\} 322−5122，每一层会有三种比例，所以FPN有15种Anchor，但是RetinaNet在这个基础上又加了一个因素，就是每一层特征图上还有一个尺度，它分别是该层特征图尺度的 2 0 , 2 1 3 , 2 2 3 \{2^\{0\},2^\{\\frac\{1\}\{3\}\},2^\{\\frac\{2\}\{3\}\}\} 20,231,232，于是RetinaNet的Anchor变成了45个。因为Focal loss的引入，让Anchor的选取变得为所欲为，就是不怕多。╮(￣▽ ￣)╭

# RetinaNet性能评价 #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly96aGFuZ3h1LmJsb2cuY3Nkbi5uZXQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
这个是RetinaNet的总体结果，在backbone选择ResNet-101，输入分辨率为800时，RetinaNet的AP超过了FPN，虽然比FPN还要慢些，但是这是one-stage的模型第一次使用同样输入分辨率和backbone的情况下，AP可以超过two-stage。当分辨率变成500的时候，RetinaNet具备了很优越的性能。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2NoYWlwcDA2MDc_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/11/272f0f4bf7b245d588feedc1429b65ff.png
[object detection_ R-CNN_CNN]: http://blog.csdn.net/chaipp0607/article/details/78112861
[object detection_ SPP-Net]: http://blog.csdn.net/chaipp0607/article/details/78446708
[object detection_ Fast R-CNN_end-to-end]: http://blog.csdn.net/chaipp0607/article/details/78458883
[object detection_ Faster R-CNN_RPN_Fast R-CNN]: http://blog.csdn.net/chaipp0607/article/details/78492328
[object detection_ YOLO]: https://zhangxu.blog.csdn.net/article/details/78535113
[object detection_ SSD]: https://zhangxu.blog.csdn.net/article/details/98962500
[object detection_ R-FCN_Faster R-CNN]: http://blog.csdn.net/chaipp0607/article/details/78525483
[object detection_ YOLOv2]: https://zhangxu.blog.csdn.net/article/details/79318396
[object detection_ YOLOv3]: https://zhangxu.blog.csdn.net/article/details/99700184
[object detection_ FPN]: https://zhangxu.blog.csdn.net/article/details/99988305
[object detection_ RetinaNet_one-stage]: https://zhangxu.blog.csdn.net/article/details/100035827
[object detection_ CornerNet_anchor free]: https://blog.csdn.net/chaipp0607/article/details/100057803
[object detection_ CenterNet_no Anchor_no NMS]: https://blog.csdn.net/chaipp0607/article/details/106991047
[object detection_FCOS]: https://zhangxu.blog.csdn.net/article/details/106991074
[object detection_ Selective Search]: https://zhangxu.blog.csdn.net/article/details/99442318
[object detection_ OHEM]: https://zhangxu.blog.csdn.net/article/details/100564629
[object detection_ Faster R-CNN_YOLO_SSD_YOLOv2_YOLOv3]: https://zhangxu.blog.csdn.net/article/details/102094625
[Faster R-CNN]: https://blog.csdn.net/chaipp0607/article/details/78492328
[R-FCN]: https://blog.csdn.net/chaipp0607/article/details/78525483
[Focal Loss for Dense Object Detection]: https://arxiv.org/abs/1708.02002
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