关于目标检测(Object Detection)的文献整理

本文对CV中目标检测子方向的研究，整理了如下的相关笔记(持续更新中)：

1. Cascade R-CNN: Delving into High Quality Object Detection

年份：2018；关键词：Cascade RCNN；引用量：749；推荐指数(1-5)：5

描述：一般正常的检测器是用0.5的IOU阈值（用于提出正负样本）训练，但如果提高IOU阈值会降低检测器的表现。这有两个原因：

1. 当训练时，高IOU阈值会减少提出的正样本，引发exponentially vanishing positive samples问题，使得模型过拟合。
2. 在inference阶段，输入的IOU与输出的IOU不匹配也会导致精度的下降。注：其中的输入IOU是RPN输出proposal的IOU（控制正负样本），输出IOU是proposal经过bbox classification时的IOU（判断是否为正例）。

为了解决上述瓶颈：作者使用cascade的网络结构在bbox head上面，如论文中的图3，先用iou=0.5训练RPN，然后再级联不同的检测器（IOU=0.5,0,6,0.7），H1预测结果框将被输入给下一个H2进行训练，依次后推此过程。再输入给下一个检测器前，输出结果会被normalization（即减去平均值再除方差），这样就能保证不同阶段下的目标框分布能保持稳定的一致性。从小IOU到大IOU避免了过拟合，而且normalization使得输入IOU与输出IOU有个较好的匹配。此外，创新点处是在在bbox head上引入级联结构且加入了normalization。
心得：当评估标准所用IOU较高时，可以考虑先提高不同检测器的IOU（例如都加0.1），看看模型表现，如果有提升，可以再试着调整RPN里的IOU（例如提高提出pos的IOU）。因为严格的评估意味着要求模型检测质量要高，而IOU的提高对于获取高质量的结果有帮助。

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 2. YOLO9000: Better, Faster, Stronger

年份：2016；关键词：YOLOv2；引用量：5934；推荐指数(1-5)：5

描述：YOLOv2解决YOLO第一版本的性能问题（localization error和low recall ）。YOLOv2使用了Dimension Cluster用以K-means聚类得到候选框，然后再根据聚类候选框改进bbox定位方法。同时还使用了Fine-Grained Features，该方法是将passthrough层放在抽取特征图后，检测器前。passthrough层是抽取前面层的局部区域2*2的局部区域，然后将其转化为channel维度，从而得到更精的特征图，有利于帮助预测小物体，有1%的提升点。另外还有其他手段，例如训练high resolution classifier，有4%的提升点。YOLOv2的创新点：用聚类的思想生成合适的候选框，以及使用了多种tricks。

心得：

1. 可以根据原论文图2的形式，选择合适数量的聚类数，再使用Cluster IOU的候选框去代替人工定义的候选框。
2. passthrough的思想（即将大特征图划分后叠加在channel上，以利用low-level特征进行预测）和
3. high resolution classifier的思想（即若预训练模型的预训练数据输入尺寸比实际训练图像尺寸小，可以试着先用大尺寸的预训练数据在fine-tuning训练下预训练模型，让其熟悉大尺寸输入，训练好后，再用实际大尺寸图像进行训练，类似SNIP的预训练方法）。

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3.  Libra R-CNN: Towards Balanced Learning for Object Detection

年份：2019；关键词：Libra R-CNN；引用量：149；推荐指数(1-5)：5

描述：解决瓶颈：训练中不平衡问题。在样本层的不平衡问题上，OHEM对noise labels敏感且计算昂贵。Focal loss对单阶段模型有利，而双阶段模型由于常提出easy negatives，而使Focal loss在此没有提升。在特征层上的不平衡问题上，高层特征富含语义（semantic meaning），而底层特征有更多的内容描述（content descriptive）。在目标层上有类别（classification）和定位（localization）的不平衡问题。

解决方法：针对三个层次 - 样本层，特征层和目标层，作者提出了Lirbra RCNN框架，它集成了3个部分：IOU-balanced sampling，Balanced feature pyramid和Balanced L1 loss。

1. IOU-balanced sampling：提前设置好K个IOU bins，然后根据论文公式（2）的选择概率为每个bins选择相同数量的hard negative samples。默认K=3。
2. Balanced feature pyramid：它的pipeline主要依次分为rescaling, integrating, refining和strengthening。最后得到的不同feature pyramid可以继续接着FPN使用。
3. Balanced L1 loss：在检测器部分，hard samples往往被认为是outliers，它会引起过大额梯度从而不利于训练。而inliers（即easy samples）相比于outliers，对于总体梯度贡献的梯度较少。具体来说，对于outliers，inliers平均每个样本只贡献30%的梯度。在 Balanced L1 loss中，alpha控制inliers的梯度变化，alpha越大，梯度变化越大，但alpha无法控制outliers。gamma调节regression error的上限。默认alpha=0.5，gamma=1.5。

创新点：使用了三种分别应对样本层，特征层和目标层上不平衡问题的方法。

心得：

1. 根据IOU-balanced sampling 实验来看，当K=3是，总AP最好，但是K>0会使得AP50有所下降，大于0.3左右，而AP75会增加1.5左右。
2. 根据 Balanced L1 loss实验来看，alpha 和gamma的调整都是有提升的。
3. Libra R-CNN的三种平衡方法都可以独立使用，并没有说三个方法的各自性能存在相互依赖关系。

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 4. Deformable Convolutional Networks

年份：2017；关键词：DCN；引用量：1295；推荐指数(1-5)：5

描述：解决瓶颈：针对如何适应数据集上的空间变换，传统思路有两种：一是增强训练集的变化，二是用变换不变性特征（transformation-invariant features）和算法（例如SIFT，scale invariant feature transform）。而前者的先验设计缺乏通用性，后者难以应对复杂的空间变换。

解决方法：作者认为高层CNN上，关于特征的采样应基于object，而不是简单的grid。DCN提出了关于卷积层和ROI pooling的deformable形式。

1. Deformable Convolution：先通过conv正常进行特征映射，然后将其通过由输入的特征映射学习到的偏移offset，最后偏移输出结果。
2. Deformable ROI Pooling： 先由传统ROI pooling得到ROI特征映射，然后通过fc归一化，再偏移且双线性插值输出结果。
3. Position-Sensitive (PS) ROI Pooling：与 Deformable ROI Pooling主要区别在于PS ROI Pooling使用了conv。

创新点：提出了deformable ConvNets对特征进行non-grid的映射抽取。
心得：效果不错，默认deformable convolution是放在最后3个卷积层的位置上。

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5.  Making Convolutional Networks Shift-Invariant Again

年份：2019；关键词：BlurPool；引用量：110；推荐指数(1-5)：3

描述：解决瓶颈：许多CNN不具有平移不变性（shift-invariant），输入上小的移动或平移就会导致输出的严重改变。
解决方法：为了使模型训练过程中的特征具有移动不变性Shift-equivariance。作者提出了BlurPool，它就是使用了一个Blur kernel，例如最大池化第一步是先计算区域的最大值，然后进行采样，而BlurPool则将低通滤波（low-pass filter）的操作嵌入到中间，在采样前先经过一个模糊低通滤波的作用，然后采样。将模糊下采样和最大池化相结合起来，减小了混叠效应，提升了网络的平移不变性能力。Blur kernel/filter有三种形态：Rect-2，Tri-3，Bin-5。
创新点：提出了BlurPool，帮助模型模糊输入的平移。
心得：BlurPool能增强模型对不同平移输入的鲁棒性。其中Bin-5是Blur kernel 效果最好。

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 6. MMDetection: Open MMLab Detection Toolbox and Benchmark

年份：2019；关键词：MMDetection；引用量：229；推荐指数(1-5)：5

描述：解决瓶颈：现有集成的代码库不够丰富。
解决方法：将目标检测多种SOTA模型和优化手段集成到mmdetection代码库中，灵活且高效。
创新点：将不同SOTA目标检测模块集成代码库。
心得：
（1）2018 COCO冠军所用的代码库。
（2）Balanced L1 loss在IOU-balanced sampling或者balanced FPN上表现更好。
（3）IoU-based losses比L1-based losss表现的更好些，除了Bounded IoU Loss。GIoU loss比IoU loss高0.1%，Bounded IoU Loss和Smooth L1 Loss相似，但前者需要更大的loss weight。
（4）因为bachsize很小，所以冻结batch normalzation。而且不同normalization的效果都差不多。
（5）关于多尺度学习，range模式上比value好。range下，长边 × [短边下限，短边上限]，短边下限变大并不能提升准度，而 短边上限可以。

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 7. Bag of Freebies for Training Object Detection Neural Networks

年份：2019；关键词：Mixup；引用量：38；推荐指数(1-5)：5

描述：解决瓶颈：研究不同小技巧对一阶和二阶模型的提升。
解决方法：作者们研究的小技巧为：Mixup, label smoothing, Random geomertry transformation和Random color jittering, cosine lr schedule, synchronized batch normalization, random shapes training。

创新点：在mixup上，作者使用了geometry preserved alignment的方式去避免就扭曲图像.
心得：
（1）在使用mixup时，作者提议使用beta分布，其中alpha和beta都为1.5可以保证图像视觉上更自然些。
在预训练阶段和实际训练阶段都用mixup在coco上可以获得最大的提升1.2%，而但用mixup在其中一个阶段会有0.2%mAP左右的绝对提升。
（2）虽然cosine lr schedule在结果表现上有提升，但是比赛时有选手反映其不能带来明显提升，其实如果step lr schedule在第二步衰减后晚点取最终的epoch结点模型，个人觉得可以忽略掉cosine lr schedule和step lr schedule之间的不同。
（3）传统的一阶模型十分依赖输入图像上的空间信息，而二阶模型是通过ROI采样方式进行特征提取，因此不太需要很多geometric augmentations操作，例如random cropping。
（4）Label smoothing本质上是对交叉熵cross entropy中的q做文章，原本q是服从独热分布的，但这样可能会导致模型在预测中过于自信而过拟合，label smoothing就是调整了q的上下限，使模型对于预测不要那么自信。
（5）从结果看cosine lr schedule, class label smoothing, mixup对二阶段模型帮助挺大的，这同样适用于一阶段模型，但数据增强对于二阶段模型不是那么的必要，反而对一阶模型有很大的帮助。

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