二阶段目标检测网络-Mask RCNN 详解

Mask RCNN 是作者 Kaiming He2018 年发表的论文

ROI Pooling 和 ROI Align 的区别

Understanding Region of Interest — (RoI Align and RoI Warp)

Mask R-CNN 网络结构

Mask RCNN 继承自 Faster RCNN 主要有三个改进:

  • feature map 的提取采用了 FPN 的多尺度特征网络
  • ROI Pooling 改进为 ROI Align
  • RPN 后面,增加了采用 FCN 结构的 mask 分割分支

网络结构如下图所示:

mask-rcnn网络结构

可以看出,Mask RCNN 是一种先检测物体,再分割的思路,简单直接,在建模上也更有利于网络的学习。

骨干网络 FPN

卷积网络的一个重要特征:深层网络容易响应语义特征,浅层网络容易响应图像特征。Mask RCNN 的使用了 ResNetFPN 结合的网络作为特征提取器。

FPN 的代码出现在 ./mrcnn/model.py中,核心代码如下:

if callable(config.BACKBONE):
_, C2, C3, C4, C5 = config.BACKBONE(input_image, stage5=True,
train_bn=config.TRAIN_BN)
else:
_, C2, C3, C4, C5 = resnet_graph(input_image, config.BACKBONE,
stage5=True, train_bn=config.TRAIN_BN)
# Top-down Layers
# TODO: add assert to varify feature map sizes match what's in config
P5 = KL.Conv2D(config.TOP_DOWN_PYRAMID_SIZE, (1, 1), name='fpn_c5p5')(C5)
P4 = KL.Add(name="fpn_p4add")([
KL.UpSampling2D(size=(2, 2), name="fpn_p5upsampled")(P5),
KL.Conv2D(config.TOP_DOWN_PYRAMID_SIZE, (1, 1), name='fpn_c4p4')(C4)])
P3 = KL.Add(name="fpn_p3add")([
KL.UpSampling2D(size=(2, 2), name="fpn_p4upsampled")(P4),
KL.Conv2D(config.TOP_DOWN_PYRAMID_SIZE, (1, 1), name='fpn_c3p3')(C3)])
P2 = KL.Add(name="fpn_p2add")([
KL.UpSampling2D(size=(2, 2), name="fpn_p3upsampled")(P3),
KL.Conv2D(config.TOP_DOWN_PYRAMID_SIZE, (1, 1), name='fpn_c2p2')(C2)])
# Attach 3x3 conv to all P layers to get the final feature maps.
P2 = KL.Conv2D(config.TOP_DOWN_PYRAMID_SIZE, (3, 3), padding="SAME", name="fpn_p2")(P2)
P3 = KL.Conv2D(config.TOP_DOWN_PYRAMID_SIZE, (3, 3), padding="SAME", name="fpn_p3")(P3)
P4 = KL.Conv2D(config.TOP_DOWN_PYRAMID_SIZE, (3, 3), padding="SAME", name="fpn_p4")(P4)
P5 = KL.Conv2D(config.TOP_DOWN_PYRAMID_SIZE, (3, 3), padding="SAME", name="fpn_p5")(P5)
# P6 is used for the 5th anchor scale in RPN. Generated by
# subsampling from P5 with stride of 2.
P6 = KL.MaxPooling2D(pool_size=(1, 1), strides=2, name="fpn_p6")(P5)
# Note that P6 is used in RPN, but not in the classifier heads.
rpn_feature_maps = [P2, P3, P4, P5, P6]
mrcnn_feature_maps = [P2, P3, P4, P5]

其中 resnet_graph 函数定义如下:

def resnet_graph(input_image, architecture, stage5=False, train_bn=True):
"""Build a ResNet graph.
architecture: Can be resnet50 or resnet101
stage5: Boolean. If False, stage5 of the network is not created
train_bn: Boolean. Train or freeze Batch Norm layers
"""
assert architecture in ["resnet50", "resnet101"]
# Stage 1
x = KL.ZeroPadding2D((3, 3))(input_image)
x = KL.Conv2D(64, (7, 7), strides=(2, 2), name='conv1', use_bias=True)(x)
x = BatchNorm(name='bn_conv1')(x, training=train_bn)
x = KL.Activation('relu')(x)
C1 = x = KL.MaxPooling2D((3, 3), strides=(2, 2), padding="same")(x)
# Stage 2
x = conv_block(x, 3, [64, 64, 256], stage=2, block='a', strides=(1, 1), train_bn=train_bn)
x = identity_block(x, 3, [64, 64, 256], stage=2, block='b', train_bn=train_bn)
C2 = x = identity_block(x, 3, [64, 64, 256], stage=2, block='c', train_bn=train_bn)
# Stage 3
x = conv_block(x, 3, [128, 128, 512], stage=3, block='a', train_bn=train_bn)
x = identity_block(x, 3, [128, 128, 512], stage=3, block='b', train_bn=train_bn)
x = identity_block(x, 3, [128, 128, 512], stage=3, block='c', train_bn=train_bn)
C3 = x = identity_block(x, 3, [128, 128, 512], stage=3, block='d', train_bn=train_bn)
# Stage 4
x = conv_block(x, 3, [256, 256, 1024], stage=4, block='a', train_bn=train_bn)
block_count = {"resnet50": 5, "resnet101": 22}[architecture]
for i in range(block_count):
x = identity_block(x, 3, [256, 256, 1024], stage=4, block=chr(98 + i), train_bn=train_bn)
C4 = x
# Stage 5
if stage5:
x = conv_block(x, 3, [512, 512, 2048], stage=5, block='a', train_bn=train_bn)
x = identity_block(x, 3, [512, 512, 2048], stage=5, block='b', train_bn=train_bn)
C5 = x = identity_block(x, 3, [512, 512, 2048], stage=5, block='c', train_bn=train_bn)
else:
C5 = None
return [C1, C2, C3, C4, C5]

anchor 锚框生成规则

在 Faster-RCNN 中可以将 SCALE 也可以设置为多个值,而在 Mask RCNN 中则是每一特征层只对应着一个SCALE 即对应着上述所设置的 16。

实验

何凯明在论文中做了很多对比单个模块试验,并放出了对比结果表格。

对比试验结果

从上图表格可以看出:

  • sigmoidsoftmax 对比,sigmoid 有不小提升;
  • 特征网络选择:可以看出更深的网络和采用 FPN 的实验效果更好,可能因为 FPN 综合考虑了不同尺寸的 feature map 的信息,因此能够把握一些更精细的细节。
  • RoI AlignRoI Pooling 对比:在 instance segmentation 和 object detection 上都有不小的提升。这样看来,RoIAlign 其实就是一个更加精准的 RoIPooling,把前者放到 Faster RCNN 中,对结果的提升应该也会有帮助。

参考资料

Mask R-CNN 论文

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