你認為Grid R-CNN會成為Faster R-CNN那樣的傳世經(jīng)典嗎？

Grid R-CNN是商湯科技最新發(fā)表于arXiv的一篇目標檢測的論文，對Faster R-CNN架構(gòu)的目標坐標回歸部分進行了替換，取得了更加精確的定位精度，是最近非常值得一讀的論文。

今天就跟大家一起來細品此文妙處。

一、作者信息

該文所有作者均來自商湯科技：

該文直取Grid（網(wǎng)格）修飾R-CNN，意即將目標檢測中位置定位轉(zhuǎn)化為目標區(qū)域網(wǎng)格點的定位。

二、算法思想

如下圖所示：

在目前的R-CNN目標檢測算法中，目標的2個點（比如左上和右下）就能表征其位置，將目標的定位看為回歸問題，即將ROI特征flatten成向量,后接幾個全連接層回歸目標的坐標偏移量和寬高。

作者認為，這種處理方式?jīng)]能很好的利用特征的空間信息。

作者希望利用全卷積網(wǎng)絡(luò)的精確定位能力計算目標位置，將2個目標點的回歸問題，轉(zhuǎn)化為目標區(qū)域網(wǎng)格點（Grid Points）的定位問題。目標區(qū)域的網(wǎng)格點位置是全卷積網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)督信息，因為是直接將目標區(qū)域等分，是可以直接計算的。網(wǎng)絡(luò)推斷時，計算heatmap的極值，即為求得的網(wǎng)格點（Grid Points）。

上圖展示了使用3*3網(wǎng)格點的情況。

三、算法流程

作者改造的是Faster R-CNN的目標定位部分，其算法流程如下：

前半部分與Faster R-CNN相同，在得到目標候選區(qū)域和ROI特征后，分類部分進行目標分類，而定位部分接全卷積網(wǎng)絡(luò)，其監(jiān)督信息來自根據(jù)目標位置計算得到的網(wǎng)格監(jiān)督信息。

流程圖中作者特別標出了特征融合模塊（feature fusion module），其意在使用網(wǎng)格中相鄰網(wǎng)格點的位置相關(guān)性，融合特征使得定位更加精確。

以下針對其中關(guān)鍵步驟進行詳細說明。

3.1 網(wǎng)格引導(dǎo)定位

將目標區(qū)域劃為網(wǎng)格，目標的定位即轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格點的定位。

訓(xùn)練時，ROI特征（14*14大?。┩ㄟ^8個3*3空洞卷積，再通過兩個反卷積把尺寸擴大（56*56），再通過一個卷積生成與網(wǎng)格點相關(guān)的 heatmaps（9 個點就是 9 張圖，后文實驗也使用了4個點的情況）。監(jiān)督信息是每一個點所處位置的交叉十字形狀的5個點的位置。最后再接sigmoid函數(shù)，在heapmaps上得到概率圖。

推斷時，將heapmaps極值的位置映射回原圖，即得到了網(wǎng)格點的位置。

讀到這里，讀者可能會有一個疑問，即計算得到的網(wǎng)格點組成的形狀是方方正正的，而Heapmaps極值得到的網(wǎng)格點未必組合在一起是方方正正的，不好確定目標區(qū)域。

作者的方法是對原本應(yīng)該具有相同x或者y坐標的網(wǎng)格點的坐標進行平均。

到此，即得到了目標位置。

3.2 網(wǎng)格點特征融合

很顯然，網(wǎng)格點之間具有內(nèi)在的聯(lián)系，相鄰網(wǎng)格點之間可以相互校正位置提高定位精度。

為此，作者設(shè)計了網(wǎng)格點特征融合的機制。

首先，在計算網(wǎng)格點heapmaps時，每個網(wǎng)格點使用不同的濾波器組，防止它們之間共用特征以至相互影響。

然后在每個網(wǎng)格點的Heapmap出來后，將相鄰網(wǎng)格點的Heapmaps經(jīng)過卷積濾波與其相加，形成新的heapmap。

作者將距離特定網(wǎng)格點最近的相鄰網(wǎng)格點（1個單位網(wǎng)格長度）組成的網(wǎng)格點集合的特征融合稱為一階特征融合，次近的相鄰網(wǎng)格點（2個單位網(wǎng)格長度）組成的網(wǎng)格點集合的特征融合稱為二階特征融合。下圖中（a）（b）分別展示了此融合過程。

3.3 擴展區(qū)域映射

這一步主要是為了應(yīng)對在實際使用中，RPN 給出的 proposal并不總是將完整物體包含在內(nèi)。如下圖：

圖中白色的實線框表示 RPN 給出的候選框，它沒有完全包含所有的網(wǎng)格點。

而作者指出，簡單的擴大候選框的大小，不會帶來提升，甚至降低對小物體檢測的精度（后面有實驗驗證）。

作者認為heatmap的感受野其實是很大的，并不限于候選框內(nèi)，所以就干脆直接將heatmap對應(yīng)的區(qū)域看成候選框覆蓋的區(qū)域兩倍大（如圖中虛線圍起來的區(qū)域）。

這么做的好處是，只需簡單修改網(wǎng)格引導(dǎo)定位中的位置映射公式。即

四、實驗結(jié)果

作者首先研究了算法中網(wǎng)格點數(shù)對精度的影響。如下圖：

相比回歸的方法，Grid R-CNN精度更高，而且隨著點數(shù)增加精度也在提高。

比較AP0.5和AP0.75發(fā)現(xiàn)，精度提升主要來自高IoU閾值的情況。

其次，作者實驗了網(wǎng)格點特征融合策略對性能的影響。如下圖：

可見該文提出的特征融合策略是有效的，而且二階特征融合更加有效。

然后，作者實驗了擴展區(qū)域映射對精度的影響。如下圖：

可見，直接擴大候選框區(qū)域的方法傷害了精度，而本文提出的擴展區(qū)域映射(extended region mapping)的方法則使精度有較大的提高（1.2個AP）。

作者又在主流的目標檢測數(shù)據(jù)庫上與state-of-the-art進行了比較。

下圖展示了在Pascal VOC數(shù)據(jù)集上，相比R-FCN、FPN，使用相同骨干網(wǎng)的情況下，精度取得了極大的提升！

在COCO minival數(shù)據(jù)集上的實驗，同樣取得了較大幅度精度提升。

在COCO test-dev數(shù)據(jù)集上也實現(xiàn)了一騎絕塵！如下圖：

與Faster R-CNN相比，發(fā)現(xiàn)精度提升主要來自高IoU閾值的部分，如下圖所示。

所以作者猜測，Grid定位分支也許輕微影響了分類的分支。

下圖是一些目標的定位示例（請點擊大圖查看）：

作者最后列出了Grid R-CNN對各目標類別的精度增益，發(fā)現(xiàn)那些矩形和長方形目標（例如鍵盤，筆記本電腦，叉子，火車和冰箱）往往獲得更大的精度增益，而具有圓形性質(zhì)的物體（例如運動球，飛盤，碗，鐘和杯子）則性能下降或獲得較小的增益。

五、總結(jié)

該文反思了目標檢測中的定位問題，提出以覆蓋目標的網(wǎng)格點作為監(jiān)督信息使用全卷積網(wǎng)絡(luò)定位網(wǎng)格點的方法，大幅提高了目標定位精度。值得研究目標檢測的朋友學習~

文中沒有提及推斷速度、代碼是否會開源，希望有進一步的消息出來。

目標定位的方法還有什么可挖掘的嗎？

你認為Grid R-CNN會成為Faster R-CNN那樣的傳世經(jīng)典嗎？