论文阅读笔记五十：CornerNet: Detecting Objects as Paired Keypoints(ECCV2018)
论文原址：https://arxiv.org/pdf/1808.01244.pdf
github:https://github.com/princeton-vl/CornerNet
摘要
本文提出了目标检测算法的新的模型结构，利用单个卷积网络将框的左上角及右下角两个点组成一对关键点，进而不需要设计在单阶段检测中大量的anchor boxes，同时，引入了corner pooling用于提升角点定位效果。
介绍
单阶段检测通过密集的anchor box及后续的增强定位来获得好的检测效果，但使用anchor存在以下几点问题：（1）需要大量的anchor box，然而只有一小部分的anchor box与ground truth 存在较大的重叠，这就会造成类别不平衡问题，而且不利于训练。（2）使用anchor 引入了大量人为的超参数及设计方法（数量？大小？比例？）。
本文引入了新的单阶段检测方法，其并未依赖于anchor box。本文将框的左上角及右下角两个角点看作一组关键点。用一个卷积网络预测所有同一类别的样本的左上角点的heatmap，及右下角点的heatmap,及一个检测到角点的embeding vector。embeding用于组合属于同一个目标的一对角点，网络预测其相似的embedings。本模型简化了模型的输出，同时移除了anchor的设计步骤。本文受人体关键点检测思想启发，整个思路图如下
Cornernet的另一个创新点是corner pooling，有利于卷积网络定位边界框的角点。如下图所示，一个边界框的角点经常在目标物的外边。这种情况下，一个角点无法根据局部特征进行定位。为了确定一个像素点处是否存在左上角的角点，需要从右侧观察边界框其顶部水平方向，同时，从下观察边界框的最左边。
Corner pooling受上述启发，如下图，输入两个feature maps，对第一个Feature map的所有向量的左侧进行max pool操作，对第二个feature map所有向量的顶部进行max pool，最后将二者的结果进行相加处理。
本文认为基于Corner 的目标检测要优于proposals的检测方法主要有两点：（1）由于框的中心依赖于四个边很难进行定位。而定位角点只需要定位两条边，同时引入了coner pool的先验，因此，定位更加简单。（2）角点高效的离散了框的解空间，只需要O(wh)的角点可以表示O(w^2h^2)的anchor box的数量。
CornerNet
整体流程：将检测框的左上及右下的点作为一组角点。一个单一结构的卷积网络用于预测两组不同目标类别的heatmaps，一组heatmaps用于预测左上角的点，另一组用于预测右下角的点，同时预测一个embedings向量，比如来自同一目标类别的两个角点之间的距离很小。为了得到更加紧密的边框，网络同时预测一个偏差用于调整角点的位置。有了，两个角点的heatmaps，embeding vectors，及Offset，后面通过使用一个后处理的方法来获得最终的边框。如下图所示，使用hourglass 网络作为backbone，其后接着两个预测模型，一个用于预测左上角的点，另一个用于预测右下角的点。每个模型都有自己的corner pool层，在进行预测heatmaps,embeding vector,offset之前pool hourglass 网络的feature maps.本文并使用不同的尺寸检测目标物，只借助模型的两个输出角点进行目标检测。
角点的检测：预测两组heatmaps，每组heatmaps的尺寸为HxWxC。C代表目标物的类别。没有背景这个类别，每个通道的feature map为二值型的mask，代表是否为该类别。对于每个角点，存在一个ground truth positive location，其余的位置为negative.本文降低了对正样本附近圆周位置的负样本的惩罚，因为，一对距离对应ground truth很近的负样本角点也可以产生一个较好的边界框，包围目标物。如下图所示。
本文通过确保半径内的一对点将生成与ground truth box重叠度至少为0.3的框来确定对象大小的半径。有了半径，惩罚度由unnormalized的高斯分布生成。等式如下
Pcij代表第(i,j)类别为c的概率，ycij代表对应的经过unnormalized 高斯分布增强过的ground truth 标签，定义了新的Focal Loss如下。
在下采样阶段中，(x,y)位置的像素被映射为(x/n,y/n)，而对其还原时，会存在一定精度上的损失，对IOU造成影响，因此，在对其remap到输入尺寸之前，预测位置偏移对角点的位置进行微调。
角点组合：一张图中可能会存在多个目标，因此，可能会检测到多组角点。这里需要确定，一组左上角及右下角的点是否是来自同一个边界框的。本文借鉴人体关键点检测中基于一组embeding 向量来确定是否将关键点进行组合，本文也预测了embeding vectors。通过，基于左上角点的embeding vectors及右下角点embeding vectors的距离来决定是否将两个点进行组合。重要的是二者之间的距离，而向量中的具体数值却不是很重要。本文使用1-D的embeding 向量，etk代表目标k左上角点的embeding ,ebk代表其右下角点的embeding。定义"pull"损失用于组合角点，“push”损失用于分离角点。如下，
Corner Pooling：角点的表示没有任何局部视觉信息，因此要确定一个像素是否为左上角的点，需要从框的顶部水平的向右观察，同时，在框的左边从下观察。提出了corner pooling基于先验以更好的对框进行定位。
假设判断(i,j)位置的像素是否为左上角的点，ft,fl为两个输入corner pooling 的feature maps，ftij,flij分别为feature map上（i,j）位置的向量。对于一个HxW的feature map，corner pool首先max pool,ft中(i,j)到(i,H)之间所有的特征向量得到向量tij,同理，max pool fl中（i,j）至(W,j)之间所有的特征向量得到向量lij，最后，将tij与lij进行相加操作。表达式如下，基于elementwise max 操作，右下角的定义同理，处理(0,j)->(i,j),(i,0)->(i,j)之间的特征向量。
预测模型结构如下，模型的第一部分为修改的残差块，将第一个3x3的卷积替换为corner pooing,首先通过2个3x3x128的卷积核来处理来自backbone的feature map，后接一个corner pool层，将Pooled后的feature map送入3x3x256的conv-BN层中，同时增加了一个映射短链接，修正的残差块后接一个3x3x256的卷积及三个conv-BN-ReLU模块用于预测heatmaps,embedings,offsets。
Hourglass Network：CornerNet将Hourglass 网络作为backbone，Hourglass网络被首次用于人体姿态估计任务，包含多个hourglass模型，hourglass模型首先会对输入图片通过一系列卷积池化操作进行降采样，然后通过一系列上采样，反卷积等操作恢复至输入的分辨率。为了弥补最大池化过程中丢失的细节信息，增加了跳跃结构，来恢复上采样的细节信息。hourglass在单一结构中同时捕捉了局部及全局特征信息。当多个hourglass模型组合在一起时可以获得更高级别的特征信息。本文的hourglass网络包含两个hourglass模块，并对其结构做了适当的更改。使用stride 2的卷积操作替换max pooling进行尺寸缩小，本文将分辨率减小5倍，通道数为{256，384，384，384，512}，在对特征进行上采样时，在最近的相邻上采样块中添加了两个残差模型。每个跳跃连接也由两个残差模型组成。在一个hourglass模型的中间存在四个残差模型，通道数为512，在hourglass模型之前，使用7x7x128,stride=2的卷积将输入分辨率降4倍。同时接一个stride 为2通道数为256的残差模块。在训练过程中增加了中间监督，但其预测结果并未返回网络，因为对最终结果产生不良影响。在hourglass模型的输入及输出使用1x1的conv-BN模型，对结果通过后接ReLU及通道数为256的残差块进行像素级相加进行特征融合作为下一个hourglass的输入。hourglass网络的深度为104，只用网络的最后一层特征作预测。原始hourglass网络如下：
实验
Reference
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