Guided Anchoring通過線上生成anchor的方式解決常規手工預設anchor存在的問題，以及能夠根據生成的anchor自適應特徵，在嵌入方面提供了兩種實施方法，是一個很完整的解決方案
 
來源：曉飛的演算法工程筆記 公眾號

論文: Region Proposal by Guided Anchoring

• 論文地址：https://arxiv.org/abs/1901.03278
• 論文程式碼：https://github.com/open-mmlab/mmdetection

Introduction

  Anchor是許多目標檢測演算法中一個很重要的機制，但也會帶來兩個問題：

• 需要預先設計合適的anchor尺寸和長寬比，如果設計不好，對速度和準確率造成很大影響
• 為了使anchor達到足夠的召回率，需要在特徵圖上鋪設大量的anchor，不僅引入大量負樣本，還耗費計算量

  為此，論文提出Guided Anchoring來根據圖片特徵線上生成anchor。首先判斷目標可能出現的位置，然後學習不同位置上的目標的形狀，可根據圖片特徵線上學習稀疏的候選anchor。然而，線上生成的anchor形狀各異，固定的感受域可能不匹配其形狀，所以Guided Anchoring根據anchor的形狀進行自適應特徵提取，然後再進行預測框精調與分類。

Guided Anchoring

  Guided Anchoring嘗試線上學習不同形狀的anchor及其位置，得到在特徵圖上不均勻分佈的anchor集合。目標可用四元組$(x,y,w,h)$表示，其位置和形狀可認為是服從影象$I$的一種分佈：

  公式1包含兩部分：1) 給定圖片，目標僅存在於某些區域 2) 形狀與位置緊密相關。

  基於公式1，論文設計了圖1的anchor生成器(Anchor generation)，包含位置預測和形狀預測兩個分支。給定圖片$I$，首先得到特徵圖$F_I$，位置預測分支根據$F_I$預測該畫素為目標位置的概率，形狀預測分支則預測畫素位置相關的形狀，基於兩個分支選擇概率高於閾值以及每個位置最合適的anchor，得到最終的anchor集合。由於集合中的anchor形狀可能差異很大，每個位置需要獲取不同大小區域的特徵，論文提出特徵自適應模組(Feature adaption)，根據anchor形狀自適應提取特徵。
  上述的生成過程是基於單個特徵的，網路的整體架構包含FPN，所以為每層都配備Guided anchoring模組，模組引數是層間共享的。

Anchor Location Prediction

  位置預測分支預測特徵圖$F_I$的概率圖$p(\cdot|F_I)$，每項$p(i,j|F_I)$為該位置是目標中心的概率，對應的輸入圖片中座標$((i+\frac{1}{2})s, (j+\frac{1}{2})s)$，$s$為特徵圖的stride。
  在實現時，通過子網$\mathcal{N}_L$進行概率圖預測，首先使用$1\times 1$卷積提取主幹網路特徵圖$F_I$的objectness分數，再通過element-wise sigmoid函式轉化概率。更復雜的子網可以帶來更高的準確率，論文采用的是準確率和速度最實惠的結構，最後取高於閾值$\epsilon_L$的畫素位置，能夠保證在高召回的前提下過濾90%的無關區域。

Anchor Shape Prediction

  形狀預測分支的目標是預測每個位置對應目標的最佳形狀$(w,h)$，但由於過大的數值範圍，如果直接預測其具體數字會十分不穩定，所以先進行轉化：

  形狀預測分支輸出$dw$和$dh$，根據公式2轉換出形狀$(w,h)$，$s$為特徵圖的stride，$\sigma=8$為人工設定的縮放因子。這個非線性轉換可將[0, 1000]對映到[-1, 1]，更容易學習。在實現時，通過子網$\mathcal{N}_S$進行形狀預測，首先使用$1\times 1$卷積獲得兩維特徵圖，分別對應$dw$和$dh$，然後通過公式2進行轉換。由於每個位置的anchor都是學習來的，與預設的固定anchor對比，這種學習的anchor召回率更高。

Anchor-Guided Feature Adaptation

  常規的預設anchor方法由於各位置的anchor是一樣的，可以對每個位置進行一樣的特徵提取，然後再調整anchor和預測分類。但Guided Anchoring每個位置的anchor各不一樣，理想情況下，較大的anchor需要較大的感受域特徵，反之則需要較小的感受域特徵，所以論文設計了基於anchor形狀的特徵自適應模組(anchor-guided feature adaptation component)，根據每個位置的anchor形狀轉換特徵：

  $f_i$為$i$位置的特徵，$(w_i, h_i)$為對應的anchor形狀，$\mathcal{N}_T$為$3\times 3$可變形卷積，變形卷積的偏移值由$1\times 1$卷積將位置預測分支輸出轉換獲得，$f^{'}_i$為自適應特徵，用於後續的anchor調整以及分類預測，具體見圖1。

Training

Joint objective

  網路的整體損失函式由4部分構成，分別是分類損失、迴歸損失、anchor位置損失以及anchor形狀損失：

Anchor location targets

  假設目標$(x_g, y_g, w_g, h_g)$在特徵圖上的對映為$(x^{'}_g, y^{'}_g, w^{'}_g, h^{'}_g)$，定義以下三種區域：

• 中心區域$CR=\mathcal{R}((x^{'}_g, y^{'}_g, \sigma w^{'}_g, \sigma h^{'}_g))$，區域內均為正樣本點
• 忽略區域$IR=\mathcal{R}(x^{'}_g, y^{'}_g, \sigma_2 w^{'}_g, \sigma_2 h^{'}_g) $\ $CR$，$\sigma_2 > \sigma$，區域內的均為忽略點，不參與訓練
• 外部區域OR為非IR和CR的區域，區域內均為負樣本點

  主幹網路使用了FPN，FPN的每層應該只負責特定大小範圍內的目標的訓練。由於相鄰層的特徵相似，所以將IR區域對映到相鄰層，這時的IR區域不考慮CR區域，區域內同樣不參與訓練，如圖2所示。當多個目標重疊時，CR區域優先於IR區域，IR區域優先於OR區域，訓練採用Focal loss。

Anchor shape targets

  首先，定義動態anchor $a_{wh}={(x_0, y_0, w, h)| w> 0, h > 0}$與GT間的最優問題為：

  如果對每個位置都進行公式5的求解，這計算量會相當大，為此，論文用取樣的方法來逼近公式5，取樣的範圍為常見的anchor樣例，比如RetinaNet的9種anchor。對於每個位置，選擇IoU最大的anchor作為公式5的結果。取樣的範圍越大，anchor的生成結果更準，但會帶來更多的額外計算量，anchor的採用smooth-L1訓練：

The Use of High-quality Proposals

  將Guided Anchoring嵌入RPN得到增強型GA-RPN，與原版進行對比，從圖3可以看到：

• GA-RPN的正樣本數量更多
• GA-RPN的高IoU候選框數量更多

  從結果來看，GA-RPN的效果比RPN好很多，論文直接將RPN替換GA-RPN僅帶來小於1的AP提升。根據觀察發現，使用高質量候選框的前提是，需要根據候選框的分佈來調整訓練資料的分佈。所以，在使用GA-RPN時，需要設定更高的正負樣本閾值，讓網路更加關注高質量的候選框。另外，論文發現GA-RPN也可以fine-tune的形式boost兩階段檢測器的效能，給定訓練好的檢測模型，將RPN替換為GA-RPN進行幾輪迭代，能帶來不錯的效能提升。

Experiments

  與各種候選框方法進行對比。

  嵌入效果對比。

  fine-tune對比。

Conclusion

  Guided Anchoring通過線上生成anchor的方式解決常規手工預設anchor存在的問題，以及能夠根據生成的anchor自適應特徵，在嵌入方面提供了兩種實施方法，是一個很完整的解決方案。但有個不好的點在於anchor target的生成，為了保證效能弄得不夠完美，希望有人能提出更準確且高效的公式5解決方案。

如果本文對你有幫助，麻煩點個贊或在看唄～
更多內容請關注 微信公眾號【曉飛的演算法工程筆記】