最新目标检测论文

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目前。计算机视觉中的性能最好的目标检测方法主要分为两种: one-stage 和two-stage 方法。two-stage方法分为两步，第一步为候选区域生成阶段(Proposal stage),通过如Selective Search、EdgeBoxes等方法可以生成数量相对较小候选目标检测框；第二步为分类与回归阶段，对第一阶段生成的 Candiate Proposal 进行分类和位置回归。one-stage 代表性的方法是R-CNN系列，如 R-CNN， Fast R-CNN, Faster R-CNN。 而one-stage 方法直接对图像的大量 Candiate Proposals 进行分类与回归。

这两类方法中均存在类别不平衡问题，two-stage 方法通过第一步已经将当量的候选区域降低到一个数量较小的范围，同时又在第二步通过一些启发式原则，将正负样本的比例降低到一定程度。而 one-stage 优于没有这降低候选框的步骤，因此，候选区域的数量大大超过 two-stage 方法，因此，在精度上，two-stage 仍然优于 one-stage 方法，但是在速度和模型复杂度上， one-stage 占优势。

类别不平衡会使检测器评估 的候选位置，但是通常只有少量的位置存在目标，这回导致两个问题:

因此，解决样本不平衡问题是提高目标检测精度的一个关键技术之一。

论文题目： Training Region-based Object Detectors with Online Hard Example Mining

OHEM 是通过改进 Hard Example Mining 方法，使其适应online learning算法特别是基于SGD的神经网络方法。Hard Example Mining 通过交替地用当前样本集训练模型，然后将模型固定，选择 False Positive 样本来重新组建用于下一次模型训练的样本集。但是因为训练神经网络本事就是一个耗时的操作，这样在训练中固定模型，这样会急剧降低模型的训练进程。

Hard Examples Mining通常有两种方法：

OHEM算法的大致流程是: 首先计算出每个ROI的loss， 然后按loss从高到低来排列每个 ROI， 然后为每张图片选择 个损失最高的 ROI 作为Hard Examples，其中 B 表示总的 ROI 数量， 表示batch-size 的大小，在 Fast R-CNN 中， N=2， B=128时，效果很好。

但是如果直接按照 loss 对所有的 ROI 进行选择，会有一个缺点，由于 ROI 很多，这样 很多 ROI 的位置就会相关并重叠，如果和某个高 Loss 的 ROI 重合度很高的其它 ROI很多， 这样， 这些 ROI 的 Loss 通常也会很多，这样这些样本都会被选择，但是它们可以近似认为时同一个，这样就会给其它较低 Loss 的 ROI 更少的选择余地，这样就会存在冗余。为了消除这种冗余，作者提出先使用 NMS (non-maximum suppression) 删除部分重合度很高的 ROI， 在使用上述方法进行 选择 Hard Example。

实现技巧:

论文，作者将该方法是现在 Fsat R-CNN 目标检测方法中。最简单做法是更改损失函数层，损失函数层首先计算所有 ROI 的 loss， 然后根据 loss 对 ROI 进行排序，并选择 hard RoIs， 让 那些 non-RoIs的损失变为0. 这种方法虽然很简单，但是非常不高效，因为还需要为所有的 RoIs 分配进行反向传播时需要的内存空间。

为了克服这个缺点，作者对下面的 Figure 1 进行改进， 如下面的 Figure 2.该改进时使用两份同样的 RoI network。 其中一个是只读的(readonly), 即只进行前向计算，不进行反向传播优化，所以只需要为前向传播分配内存，它的参数实时保持和另一个 RoI network（regular RoI network)保持一样。在每次迭代时，首先使用 readonly RoI network 对每个 ROI 计算起 loss，然后用上面描述的选择 hard RoIs 的方法选择 hard RoIs. 然后利用 regular RoI network来对选择的 hard RoIs 进行前向和后向计算来优化网络。

论文题目 Focal Loss for Dense Object Detection

在改论文中，作者认为样本类别的不平衡可以归结为难易样本的不平衡，从而更改交叉熵损失函数，重新对样本赋予不同的权值，之前的模型这些样本都是同等重要的，从而使模型训练更加关注 hard examples。

首先引入交叉熵的公式:

其中， ,表示真实类别， 表示我们预测的概率，为了方便，我们定义:

因此， ,该方法在 较大时，该loss是一个较小的量级， 如下图的连线所示所示，因为存在大量的易分类样本，相加后会淹没正样本的loss。

一个常见的解决类别不平衡的方式是引入一个加权因子 来表示正样本的权重， 表示负样本的权重。我们按照定义 的方法重新定义 为 , 定义如下:

虽然可以平衡 positive和negative的重要性，但是对 easy/hard 样本还是无法区分， Focal loss 通过更 Cross loss来达到区分easy/hard的目的:

上图展示了不同 取值对应的 loss，通过分析上述公式，我们发现，当 非常小时，即样本被分类错误，此时 接近1， loss几乎不受影响，当 接近于1时，即样本被分类正确，此时 接近0，此时降低了该样本的权重，比如，取 , 当时 时，该样本的 loss 会降低100倍，

在实际应用中，作者使用了该 Focal loss的变体，即加入了 平衡因子:

作者提出，对于二分类，一般模型的模型初始化会同概率的对待正负样本，由于类别不平衡，负样本的 loss 会占主导，作者提出在训练初始阶段对正样本的概率估计“prior”的概念，用 表示， 通过设置它来达到正样本的输出概率低的效果，比如为，从而使模型更加关注正样本。实际操作中，出了最后一个用于分类的卷积层，其余卷积层的参数初始化为bias ，而最后一层 , 实验中设置为 .

两个实现细节

论文题目: Gradient Harmonized Single-stage Detector

改论文提出 Focal Loss 存在两个缺点:

该论文有一句概括该篇论文的核心思想的一句话: 类别的不平衡可以归结为难易样本的不平衡，难易样本的不平衡可以归结为梯度的不平衡原话如下:

如下图所示:

左边是样本数量关于梯度的分布，中间表示各个修正后的函数的梯度（使用了log scale）对原始梯度的，右边表示所有样本集的梯度贡献的分布。

定义 是模型未经过 sigmoid 之前的输出， 则 ,得出该损失函数对 的梯度为:

定义梯度的模长(norm) 为：

训练样本的梯度密度(Gradient Density)定义如下:

其中， 是第 k 个样本的gradient norm，

这个公式可以理解为，以梯度 为中心，宽度为 的区域内的样本密度。

梯度密度协调参数:

分母是对梯度位于 范围的部分样本进行归一化，如果所有样本的梯度时均分分布，那么对于任意 都有 .(这里不是很理解为什么N，可以理解它们相等)

通过将梯度密度协调参数将 GHM 嵌入到损失函数中，则 GHM-C Loss 为:

计算公式11时，求和有一个N，再求 时会遍历所有的样本，因此该公式的时间复杂度为 .如果并行的化，每个计算单元也有N的计算量。对gradient norm进行排序的最好的算法复杂度为 ，然后用一个队列去扫描样本得到梯度密度的时间复杂度为 n 。基于排序的方法即使并行也不能较快的计算，因为N往往是 甚至 ，仍然是非常耗时的.

作者提出的近似求解的方法如下:

根据上述定义，得出近似梯度密度函数为:

利用上面的公式，由于我们可以事先求好 , 在求和时只需查找 即可，因此时间复杂度为 .

因为loss的计算是基于梯度密度函数，而梯度密度函数根据一个batch中的数据得到，一个batch的统计结果是有噪声的。与batch normalization相同，作者用Exponential moving average来解决这个问题，也就是

将模型鱼的的偏移量定义为 , 将真实的偏移量定义为 ,回归loss采用 Smooth L1 loss:

其中

则 关于 的梯度为:

从公式可以看出，当样本操作 时， 所有样本都有相同的梯度 1， 这就使依赖梯度范数来区分不同样本是不可能的， 一种简单的替代方法时直接使用 作为衡量标准，但是该值理论上无限大，导致 无法实现，

为了将 GHM 应用到回归损失上，作者修改了原始的 损失函数:

该函数和 具有类似的属性，当d的绝对值很小时，近似 L2 loss， 当d的绝对值比较大时， 近似 L1 loss， 关于d的梯度为:

这样就将梯度值限制在

定义 , 则 GHM-R Loss 为:

论文题目: Prime Sample Attention in Object Detection

PISA 方法和 Focal loss 和 GHM 有着不同， Focal loss 和 GHM 是利用 loss 来度量样本的难以程度，而本篇论文作者从 mAP 出法来度量样本的难易程度。

作者提出提出改论文的方法考虑了两个方面:

Prime Samples 是指那些对检测性能有着巨大影响的样本。作者研究表明样本的重要程度依赖于它和ground truth 的 IoU值，因此作者提出了一种 IOU-HLR 排序。

在目标检测中时如何定义正样本（True Positive)的呢？

剩余的标注为负样本。

mAP 的原理揭露了对目标检测器更重要的 两个准则 :

基于上述分析，作者提出了一种称为 IoU-HLR 的排序方法，它既反映了局部的IoU关系(每个ground truth目标周围)，也反映了全局的IoU关系(覆盖整个图像或小批图像)。值得注意的是，不同于回归前的边界框坐标，IoU-HLR是根据样本的最终定位位置来计算的，因为mAP是根据回归后的样本位置来计算的。

该排序方法的大致流程如下图所示，其原理如下:

IoU-HLR遵循上述两个准则。首先，它通过局部排序（即上面的步骤2）将每个单独的 GT 的 对应的样本中 IoU 较高的样本放在前面，其次通过重采样和排序(步骤3， 4)将不同 GT 的 对应的样本中， 将 IoU 较高的放在了前面。

作者提出Prime Sample Attention，一种简单且有效的采样策略，该采样策略将更多的注意力集中到 Prime examples 上， PISA 由两部分组成: Importance- based Sample Reweighting(ISR)和Classification Aware Regression Loss(为CARL).

PISA 的训练过程是基于 prime samples 而不是同等对待所有样本。

作者提出一种基于 soft sampling 的方法: Importance-based Sample Reweighting (ISR), 他给不同样本根据重要性赋予不同的权重。首先它将Iou-HLR排序转化为线性映射的真实值。 IoU-HLR在每个类中分别进行计算。对于类 , 假设总共有 个样本， 通过 IoU-HLR 表示为 . 其中 ,使用一个线性转换函数将 转换为 , 表示第 类中的第 个样本的重要程度:

采用指数函数的形式来京一部将样本重要性 转换为 loss 的权值 , 表示对重要样本给予多大的优先权的程度因子， 决定最小样本权值的偏差(感觉就是一个决定最小的权值大小的一个变量)。

根据上面得到的权重值，重写交叉熵:

其中 n 和 m 分别表示真样本和负样本的数量， 和 分别表示预测分数和分类目标，需要注意的是，如果只是简单的添加 loss 权值将会改变 loss 的值，并改变正负样本的比例，因此为了保持正样本的总的 loss 值不变， 作者将 归一化为 (这里不是很理解，欢迎大家解惑)

已经介绍如何染个分类器知道 prime samples， 那么如何让回归其也知道 prime sample，作者提出了 Classification-Aware Regression Loss（CARL) 来联合优化分类器和回归其两个分支。CARL可以提升主要样本的分数，同时抑制其他样本的分数。回归质量决定了样本的重要性，我们期望分类器对重要样本输出更高的分数。两个分支的优化应该是相互关联的，而不是相互独立的。

作者的方法是让回归器知道分类器的分数，这样梯度就可以从回归器传播到分期其分支。公式如下:

表示相应类别的预测分数， 表示输出的回归偏移量。利用一个指数函数将 转化为 ，随后根据所有样本的平均值对它进行缩放。为了保持损失规模不变，对具有分类感知的 进行归一化。 是常用的smooth L1 loss。

关于 的梯度与原回归损失 成正比。 p_i \mathcal{L}(d_i, \hat d_i) \mathcal{L}(d_i, \hat d_i)$ 反映了样本i的定位质量，因此可以认为是一个IoU的估计，进一步可以看作是一个IoU-HLR的估计。可以近似认为，排序靠前的样本有较低的回归损失，于是分类得分的梯度较小。对于CARL来说，分类分支受到回归损失的监督。 不重要样本的得分被极大的抑制掉，而对重要样本的关注得到加强。

待续。。。

上面的方法大致可以分为两种：

Focal Loss认为正负样本的不平衡，本质上是因为难易样本的不平衡，于是通过修改交叉熵，使得训练过程更加关注那些困难样本，而GHM在Focal Loss的基础上继续研究，发现难易样本的不平衡本质上是因为梯度范数分布的不平衡，和Focal Loss的最大区别是GHM认为最困难的那些样本应当认为是异常样本，让检测器强行去拟合异常样本对训练过程是没有帮助的。PISA则是跳出了Focal Loss的思路，认为采样策略应当从mAP这个指标出发，通过IoU Hierarchical Local Rank (IoU-HLR)，对样本进行排序并权值重标定，从而使得recall和precision都能够提升。

论文: EfficientDet: Scalable and Efficient Object Detection

目前目标检测领域，高精度的模型通常需要很大的参数量和计算量，而轻量级的网络则一般都会牺牲精度。因此，论文希望建立一个可伸缩的高精度且高性能的检测框架。论文基于one-stage的检测网络范式，进行了多种主干网络、特征融合和class/box预测的结构尝试，主要面临两个挑战:

FPN是目前最广泛的多尺度融合方法，最近也有PANet和NAS-FPN一类跨尺度特征融合方法。对于融合不同的特征，最初的方法都只是简单地直接相加，然而由于不同的特征是不同的分辨率，对融合输出特征的共享应该是不相等的。为了解决这一问题，论文提出简单但高效加权的bi-directional feature pyramid network(BiFPN)，该方法使用可学习的权重来学习不同特征的重要性，同时反复地进行top-down和bottom-up的多尺度融合

论文认为除了缩放主干网络和输入图片的分辨率，特征网络(feature network)和box/class预测网络的缩放对准确率和性能也是很重要的。作者借鉴EfficientNet，提出针对检测网络的混合缩放方法(compound scaling method)，同时对主干网络，特征网络和box/class预测网络的分辨率/深度/宽度进行缩放

最后，论文将EfficientNet作为主干，结合BiFPN和混合缩放，提出新的检测系列EfficientDet，精度高且轻量，COCO上的结果如图1，论文的贡献有以下3点：

定义多尺寸特征 ，论文的目标是找到变化函数 来高效融合不同的特征，输出新特征 。具体地，图2a展示了top-down FPN网络结构，一般FPN只有一层，这里应该为了对比写了repeat形式。FPN获取3-7层的输入 ， 代表一个分辨率为 的特征层

top-down FPN操作如上所示， 为上采用或下采样来对齐分辨率， 通常是特征处理的卷积操作

top-down FPN受限于单向的信息流，为了解决这一问题，PANet(图2b)增加了额外的bottom-up路径的融合网络，NAS_FPN(图2c)使用神经架构搜索来获取更好的跨尺度特征网络的拓扑结构，但需要大量资源进行搜索。其中准确率最高的是PANet，但是其需要太多的参数和计算量，为了提高性能，论文对跨尺寸连接做了几点改进：

大多的特征融合方法都将输入特征平等对待，而论文观察到不同分辨率的输入对融合输出的特征的贡献应该是不同的。为了解决这一问题，论文提出在融合时对输入特征添加额外的权重预测，主要有以下方法：

， 是可学习的权重，可以是标量(per-feature)，也可以是向量(per-channel)，或者是多维tensor(per-pixel)。论文发现标量形式已经足够提高准确率，且不增加计算量，但是由于标量是无限制的，容易造成训练不稳定，因此，要对其进行归一化限制

，利用softmax来归一化所有的权重，但softmax操作会导致GPU性能的下降，后面会详细说明

，Relu保证 ， 保证数值稳定。这样，归一化的权重也落在 ，由于没有softmax操作，效率更高，大约加速30%

BiFPN集合了双向跨尺寸的连接和快速归一化融合，level 6的融合操作如上， 为top-down路径的中间特征， 是bottom-up路径的输出特征，其它层的特征也是类似的构造方法。为了进一步提高效率，论文特征融合时采用depthwise spearable convolution，并在每个卷积后面添加batch normalization和activation

EfficientDet的结构如图3所示，基于one-stage检测器的范式，将ImageNet-pretrained的EfficientNet作为主干，BiFPN将主干的3-7层特征作为输入，然后重复进行top-down和bottom-up的双向特征融合，所有层共享class和box网络

之前检测算法的缩放都是针对单一维度的，从EfficientNet得到启发，论文提出检测网络的新混合缩放方法，该方法使用混合因子 来同时缩放主干网络的宽度和深度、BiFPN网络、class/box网络和分辨率。由于缩放的维度过多，EfficientNet使用的网格搜索效率太慢，论文改用heuristic-based的缩放方法来同时缩放网络的所有维度

EfficientDet重复使用EfficientNet的宽度和深度因子，EfficinetNet-B0至EfficientNet-B6

论文以指数形式来缩放BiFPN宽度 (#channels)，而以线性形式增加深度 (#layers)，因为深度需要限制在较小的数字

box/class预测网络的宽度固定与BiFPN的宽度一致，而用公式2线性增加深度(#layers)

因为BiFPN使用3-7层的特征，因此输入图片的分辨率必需能被 整除，所以使用公式3线性增加分辨率

结合公式1-3和不同的 ，论文提出EfficientDet-D0到EfficientDet-D6，具体参数如Table 1，EfficientDet-D7没有使用 ，而是在D6的基础上增大输入分辨率

模型训练使用momentum=和weight decay=4e-5的SGD优化器，在初始的5%warm up阶段，学习率线性从0增加到，之后使用余弦衰减规律(cosine decay rule)下降，每个卷积后面都添加Batch normalization，batch norm decay=，epsilon=1e-4，梯度使用指数滑动平均，decay=，采用 和 的focal loss，bbox的长宽比为 ，32块GPU，batch size=128，D0-D4采用RetinaNet的预处理方法，D5-D7采用NAS-FPN的增强方法

Table 2展示了EfficientDet与其它算法的对比结果，EfficientDet准确率更高且性能更好。在低准确率区域，Efficient-D0跟YOLOv3的相同准确率但是只用了1/28的计算量。而与RetianaNet和Mask-RCNN对比，相同的准确率只使用了1/8参数和1/25的计算量。在高准确率区域，EfficientDet-D7达到了，比NAS-FPN少使用4x参数量和计算量，而anchor也仅使用3x3，非9x9

论文在实际的机器上对模型的推理速度进行了对比，结果如图4所示，EfficientDet在GPU和CPU上分别有和加速

论文对主干网络和BiFPN的具体贡献进行了实验对比，结果表明主干网络和BiFPN都是很重要的。这里要注意的是，第一个模型应该是RetinaNet-R50(640)，第二和第三个模型应该是896输入，所以准确率的提升有一部分是这个原因。另外使用BiFPN后模型精简了很多，主要得益于channel的降低，FPN的channel都是256和512的，而BiFPN只使用160维，这里应该没有repeat

Table 4展示了Figure 2中同一网络使用不同跨尺寸连接的准确率和复杂度，BiFPN在准确率和复杂度上都是相当不错的

Table 5展示了不同model size下两种加权方法的对比，在精度损失不大的情况下，论文提出的fast normalized fusion能提升26%-31%的速度

figure 5展示了两种方法在训练时的权重变化过程，fast normalizaed fusion的变化过程与softmax方法十分相似。另外，可以看到权重的变化十分快速，这证明不同的特征的确贡献是不同的，

论文对比了混合缩放方法与其它方法，尽管开始的时候相差不多，但是随着模型的增大，混合精度的作用越来越明显

论文提出BiFPN这一轻量级的跨尺寸FPN以及定制的检测版混合缩放方法，基于这些优化，推出了EfficientDet系列算法，既保持高精度也保持了高性能，EfficientDet-D7达到了SOTA。整体而言，论文的idea基于之前的EfficientNet，创新点可能没有之前那么惊艳，但是从实验来看，论文推出的新检测框架十分实用，期待作者的开源

论文: Sparse R-CNN: End-to-End Object Detection with Learnable Proposals

论文认为，目前的目标检测算法可以按预设框的多少分为两种：

上述两种方法都会预测大量的结果，需要进行NMS后处理，而在训练的时候会存在many-to-one的问题，并且anchor的设置对性能的影响很大。   于是，很多研究开始探讨稀疏(sparse)检测，比如近期的DETR算法。该算法不需要预设anchor，并且预测的结果可直接输出，不需要后处理。但论文认为DETR并不是真正的稀疏检测，因为DETR在各位置提取特征时，需要与全图的上下文进行交互，而真正的稀疏检测应该满足sparse boxes和sparse features，即较少的初始框设定以及框之间不需要过多的特征互动。   为此，论文提出了Sparse R-CNN，如图1c所示，仅需设定少量anchor即可进行检测，而且能够进行set prediction，免去NMS等后处理，其核心主要包含以下几点：

Sparse R-CNN的推理流程如图3所示，输入图片、可学习的proposal boxes以及可学习的proposal features，根据proposal boxes提取对应的RoIAlign特征，dynamic head将proposal features转换为卷积核参数，对RoIAlign特征进一步提取特征，再进行后续的分类和回归。整体的思想和Fast RCNN很像，将selective search替换为proposal boxes，再增加其它更强的模块。

论文采用FPN-ResNet作为主干网络，输出多层特征，每层特征的维度都是256。采用更复杂的主干网络可以获得更好的性能，但论文与Faster R-CNN对齐，采用标准的实现。

Sparse R-CNN的核心是采用数目固定的小批量可学习proposal boxes( )作为region proposal，而非RPN。每个box为4-d参数，在0～1范围内，值为归一化的中心点坐标、宽度和高度。这些参数在训练过程中通过反向传播进行更新，包含了训练集目标位置的统计信息，可用于推理时的初步目标位置猜测。

尽管4维的proposal box能够直观地表示目标的定位，但缺少了目标的信息，比如目标的姿态和形状，所以论文引入proposal feature( )进行补充。proposal features是高维的可学习向量，与proposal boxes一一对应，用于丰富目标的RoIAlign特征。

Dynamic instance interactive head的结构如图4所示，每个proposal box都有一个专属的预测head。给定 个proposal boxes和 个proposal features，先通过RoIAlign提取每个box的 维特征，Dynamic instance interactive head将其对应的 维proposal feature转换为卷积参数，使用这个卷积参数对RoIAlign特征进行提取，得到目标的 维特征，最后经过简单的3层感知机进行分类与回归。   Dynamic instance interactive head也可以使用类似Cascade R-CNN那样的级联模式进一步的提升性能，将输出的新回归框和 维特征作为下一次迭代的proposal box和proposal feature即可。

Sparse R-CNN的训练采用set prediction的形式，将固定数量的预测结果与GT之间进行二分图最优的匹配，然后计算损失值，完整的损失函数为：

各模块对比实验。

性能与收敛性。

在COCO上进行对比。

Sparse R-CNN贯彻了稀疏的思想，只提供少量初始框，可进行Set prediction，颠覆了当前密集预测的检测思路，整体框架十分简洁，跟Fast RCNN有点像，十分值得大家阅读。