ECCV2020论文《Dive Deeper Into Box for Object Detection》解读

1 前言

该文章作者团队来自香港中文大学、腾讯优图、思谋科技等，收录于ECCV2020.现阶段，无锚框的目标检测方法称为流行，该论文提出了深度分析box来提升检测性能的方法。

在目标检测领域，虽然无锚框的取得成功，但仍存在一些问题。比如，检测框框的中心点并不是目标的中心点，如下图所示：

而且中心点会出现漂移。

为了解决这些问题，文章提出了一种边框重组的方法，通过对中心点box的回归过程，考虑语义一致性得到检测结果。

2 网络架构

在该论文中，基于FCOS构建了DDBNet，如下图所示：

D&R模块通过将预测的框划分为边界进行训练来重组预测框，该边界在回归分支后面进行连接。在训练阶段，一旦边界框预测在每个像素处回归，D&R模块会将每个边界框分解为四个方向边界。然后，根据它们与ground truth的实际边界偏差对同类边界进行排序。因此，通过重新组合排位边界，可以期望得到更准确的box框预测，然后利用IoU loss对其进行优化。

D&R模块由四个步骤组成，如下图所示：

2.1 分解

将一个预测的box划分为四个边界的置信度。然后将四种边界分为四组，分别是：

left = {l0，l1，...，ln}，right = {r0，r1，...，rn}，bottom = {b0，b1，...， bn}，top = {t0，t1，...，tn}。

2.2 排序

考虑到IoU损失的约束，有利于具有较小并集和较大交集区域的预测框，最佳框预测的IoU损失预计最低。因此，在第二步中可以直接遍历所有边界后进行重新排列以获得最优的框，然而，以这种方式，计算复杂度非常高。为了避免这种暴力方法带来的繁重计算，本文采用了一种简单有效的排序策略。对于目标实例的每个边界集，计算到目标边界集合的偏差。然后，将每个集合中的边界按相应的偏差排序，因此，靠近ground truth的边界比远处的边界具有更高的等级。作者发现这种排序策略效果很好，并且排序噪声不会影响网络训练的稳定性

2.3 重组

将具有相同等级的四个集合的边界重新组合为新框。然后，将分解后的边界集合和目标边界集合之间的IoU看作为四个边界的重组置信度。重组边界的置信度表示为形状为N×4的矩阵。

2.4 分配得分

现在得到了原始边界和重组后的边界两组边界得分。每个边界的最终置信度是使用两组边界得分中的较高得分来分配的，而不是完全使用其中一组。如果重新组合后的低位框包含的边界离ground truth很远，这会导致重组后四个边界的置信度远低于其原始边界，这些严重漂移的置信度分数会导致训练阶段的梯度反向传播不稳定，因此选择得分较高的一组

3 模型训练

网络整体的损失函数是：

其中分类损失使用的是Focal Loss,另外两部分分别是边框回归损失和语义一致性损失

3.1 边框回归损失

为了进行可靠的网络训练，在基于ground truth和最优box以及相应的更好边界得分估算的IoU损失的监督下来优化每个边界。边框回归损失包括两个部分：

分别是重组框和原始框与标签之间的交并比IOU分数，选择每个边界的梯度以更新网络。

3.2 语义一致性损失

在根据语义一致性自主确定像素的标签后，网络在学习过程中考虑了每个正向像素的内在重要性，类似于FCOS中的中心度得分。因此，DDBNet网络能够强调一个实例中更重要的部分，学习起来更加有效。具体地，将每个像素的内在重要性定义为预测框与ground truth之间的IoU。然后，在内在重要性的监督下，将估计每个像素语义一致性的额外分支添加到网络中。语义一致性的损失表示为：

4 实验

该论文作者在COCO数据集上进行了实验。

4.1 对比实验

与RCNN系列、yolo系列、ssd等都做了对比实验，本文的结构优于其他模型。

4.2 消融实验

作者将D&R 模块和语义一致性进行了实验，结果表明加入后效果较好。

4.3 检测效果

红色框表示真实值。绿色框表示预测结果，有较高的IOU。黑色框也是预测结果，但IOU值较小。

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