论文阅读笔记五十一：CenterNet: Keypoint Triplets for Object Detection(CVPR2019)
论文链接：https://arxiv.org/abs/1904.08189
github：https://github.com/Duankaiwen/CenterNet
摘要
目标检测中，基于关键点的方法经常出现大量不正确的边界框，主要是由于缺乏对相关剪裁区域的额外监督造成的。本文提出一种有效的方法，以最小的资源探索剪裁区域的视觉模式。本文提出的CenterNet是一个单阶段的关键点检测模型。CenterNet通过检测每个目标物看作是一个三个关键点，而不是一对关键点，这样做同时提高了准确率及召回率。本文还设计了另外两个模型，cascade corner pooling及center pooling，容易获得从左上角及右下角的丰富信息，同时在中间区域获得更多的识别信息。
介绍
目标检测中需要大量的anchor，是为了满足与每个ground truth有足够高的IoU值。同时，anchor与ground truth是不匹配的，不利于边界框的分类任务。为了解决anchor的缺点，基于关键点的单阶段检测CornerNet被提出。通过检测一组关键点来检测目标，进而移除了anchor，但由于其缺乏对目标全局信息的参考，仍然具有局限性。同时，每个目标由一组关键点组成，算法对边界框比较敏感，同时，无法确定哪组关键点属于同一个目标物。因此，如下图，经常会产生一些不正确的边界框。其中大部分框可以通过一些像长宽比的信息将其过滤掉。
本文改进了CornerNet，增加了一个观察每个候选区域的视觉模式的功能，进而可以判断每个边界框的正确性。CenterNet通过增加一个关键点来探索proposal中间区域（近似几何中心）的信息，本文创新点在于，如果预测的边界框与ground truth有较高的IoU,则中心关键点预测出相同类别的概率要高，反之亦然。因此，在进行inference时，当通过一组关键点产生了一个边界框，我们继续观察是否具有同类别的一个关键点落入区域的中心，即使用三个点表示目标。
为了更好的检测中心的关键点即角点，提出了两个方法来丰富中心点及角点的信息。（1）center pooling：用于预测中心关键点的分支，有利于中心获得更多目标物的中心区域，进而更易感知proposal的中心区域。通过取中心位置横向与纵向响应值的和的最大值实现此方法。（2）cascade corner pooling：增加原始的corner pooling感知内部信息的功能。结合了feature map中目标物内部及边界方向的响应值和的最大值来预测角点。经试验证实，此方法在存在feature-level 噪声的情况下更加稳定，有助于准确率及召回率的提升。
本文方法
Object Detection as Keypoint Triplets：CenterNet整体结构如下图所示，用一组角点及中心点表示每个目标物，在CornerNet的基础上增加了一个用于预测center keypoint的heatmap，同时，预测cneter keypoint的偏移，然后基于CornerNet提出的方法选择前k个候选框。
为了剔除掉不正确的边界框，利用检测到的中心点的位置并对其按如下过程进行排序操作：（1）根据其分数选择前k个关键点。（2）根据对应的偏移量将center keypoint remap至输入图中。（3）为每一个边界框定义一个中心区域，并确保中心区域存在中心关键点，同时，保证该点的类别要与边界框的类别一致。如果中心区域检测到了中心关键点，则用左上角，右下角及中心点的分数的平均值更新边界框的分数，并保存该边界框。如果未检测到中心点，则移除该边界框。
中心区域的大小影响这边界框的检测结果。比如，小中心区域，对于小的边界框具有较低的召回率，而大区域相对于大的目标造成较低的精度。因此，本文提出了尺度敏感区域用于适应不同尺寸大小的目标物。其一般会生成相对小目标较大，相对大目标较小的中心区域，假设我们需要判断一个边界框I是否需要被保留，tlx,tly代表框左上角的点，brx,bry代表框右下角的点。定义一个中心区域j，定义左上角的点的坐标为(ctlx,ctly),右下角点(cbrx,cbry)。这些参数满足如下定义。
n为奇数代表中心区域j的大小。对于边界框小于150的设置n为3，大于150的设置n为5.如下所示。
角点及中心点信息的丰富：（1）center pooling：目标物的几何中心对传递可识别的视觉模式的贡献较少，比如（人的头部包含很强的视觉模式，但几何中心大部分在人躯体的中间）。未解决这个问题，提出了center pooling用于获得丰富的可识别视觉模式。下图a介绍了center pooling的操作，首先由backbone得到一个feature map，同时判断该feature map中是否存在一个中心点。需要找到该点水平方向及垂直方向上的最大值，并将其进行相加。center pooling更有利于中心关键点的检测。（2）cascade corner pooling:角点经常超出目标物的边界，缺少局部视觉外形特征。CornerNet使用corner pooling来解决这个问题。如下图b所示。Corner pooling主要是寻找边界上的最大值进而确定角点，但这样存在一个问题就是使角点对边界框很敏感。为了让角点能获得目标物的视觉模式，本文做了改进如下图c所示，首先，沿着边界寻找边界上的最大值，然后沿着最大值的位置向里看，找到内部的最大响应值，最后将两个最大值进行相加处理。这样，角点同时获得了目标物的边界信息及视觉信息。
center pooling及cascade corner pooling可以通过在不同方向上组合不同的corner pooling来实现。二者模型如下图所示。center pooling为了获得水平方向上的最大值，依次顺序连接left pooling 及right pooling。cascade corner pooling相比于CornerNet传统的corner pooling，在top pooling之前增加了一个left pooling。
Training
输入图片尺寸为511x511,heatmap大小为128x128，训练损失如下，参数定义按照CornerNet中的。
实验
Reference
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