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| 本文作者： 汪思穎 | 2018-09-13 17:16 |
雷鋒網(wǎng) AI 科技評論消息，近日，百度視覺團(tuán)隊在 Google AI Open Images-Object Detection Track 目標(biāo)檢測任務(wù)中斬獲第一，并受邀在計算機視覺頂級學(xué)術(shù)會議 ECCV 2018 上進(jìn)行分享。
Google AI Open Images-Object Detection Track 由 Google AI Research 舉辦，今年共吸引全球 450 多支隊伍參賽。
大賽采用 Google 今年 5 月份發(fā)布的 Open Images V4 數(shù)據(jù)集作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，包含超過 170 萬的圖片數(shù)據(jù)，500 個類別以及超過 1200 萬物體框，數(shù)據(jù)沒有完全精細(xì)標(biāo)注，屬于弱監(jiān)督任務(wù)，框選類別數(shù)目不均衡且有非常廣泛的類別分布，這更符合實際情況，也意味著參加競賽的團(tuán)隊需要考慮到類別的分布，而不能統(tǒng)一對所有類別做處理，因此更具挑戰(zhàn)性。
這項賽事有助于復(fù)雜模型的研究，同時對評估不同檢測模型的性能有積極的促進(jìn)作用。下圖為 Open Image V4 與 MS COCO 和 ImageNet 檢測任務(wù)數(shù)據(jù)對比情況，可以看到 Open Image V4 數(shù)據(jù)規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 MS COCO 和 ImageNet。
Open Image V4 與 MS COCO及ImageNet 檢測數(shù)據(jù)對比情況
以下為百度視覺團(tuán)隊技術(shù)方案解讀：
與傳統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)集合相比，該賽事除了數(shù)據(jù)規(guī)模大、更真實之外，還存在一系列的挑戰(zhàn)。具體來說，主要集中在以下三個方面：
數(shù)據(jù)分布不均衡：最少的類別框選只有 14 個，而最多的類別框選超過了 140w，數(shù)據(jù)分布嚴(yán)重不均衡。
類別框數(shù)量分布
漏標(biāo)框：很多圖片存在只標(biāo)注主體類別，其他小物體或者非目標(biāo)物體沒有標(biāo)注出來。
漏標(biāo)注圖片舉例
尺度變化大：大部分物體框只占整個圖片的 0.1 以下，而有些框選卻占了整個圖片區(qū)域。如圖所示，Open Image V4 集合存在更多的小物體，參賽者也會在檢測數(shù)據(jù)中遇到更大的挑戰(zhàn)。
框尺度大小分布對比
解決方案
在比賽過程中，百度視覺團(tuán)隊采用了不同復(fù)雜度、不同框架網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模型的訓(xùn)練，并對這些模型進(jìn)行融合。從整體方案框架來看，可分為 Fast R-CNN 和 Faster R-CNN 兩種不同的訓(xùn)練模式。Fast R-CNN 版本是百度視覺團(tuán)隊研發(fā)的一套 PaddlePaddle 版本，在此基礎(chǔ)上 Faster R-CNN 加入了 FPN、Deformable、Cascade 等最新的檢測算法，模型性能實現(xiàn)了大幅度的提升。
整體方案框架流程圖
網(wǎng)絡(luò)為 ResNet-101 的 Fast R-CNN，模型收斂后可以達(dá)到 0.481，在測試階段加入 Soft NMS 以及 Multi-Scale Testing 策略，可以達(dá)到 0.508。百度也嘗試了其他網(wǎng)絡(luò)（dpn98,Inception-v4,Se-ResNext101），并把不同網(wǎng)絡(luò)的檢測算法融合到一起，最終 mAP 可以達(dá)到 0.546。在 Proposal 采樣階段，百度在不同位置進(jìn)行不同尺度的候選框生成，然后對這些框選進(jìn)行分類以及調(diào)整他們的位置。
Faster R-CNN: 采用這種框架可以達(dá)到略高于 Fast R-CNN 的效果，mAP 為 0.495。在測試階段使用 Soft NMS 以及 Multi-Scale Testing 策略后，性能達(dá)到 0.525。
Deformable Convolutional Networks：使用 Soft NMS 以及 Multi-Scale Testing 策略前后，性能分別達(dá)到 0.528 及 0.559。
Deformable Cascade R-CNN : 使用 Soft NMS 以及 Multi-Scale Testing 策略前后，性能分別可以達(dá)到 0.581 和 0.590.
在 Fast R-CNN 框架下，百度視覺團(tuán)隊采用了不同的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，而在 Faster R-CNN 框架下只使用了 ResNet101 這種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。在訓(xùn)練過程中，百度視覺團(tuán)隊還通過不同的策略有效解決了各種技術(shù)問題。詳情如下：
動態(tài)采樣
Google Open Images V4 數(shù)據(jù)集大概有 170w 圖片，1220w 框選，500 個類別信息。最大的類別框選超過了 140w，最小的類別只有 14 個框選，如果簡單使用所有的圖片及框選，需要幾十天才能進(jìn)行模型訓(xùn)練，而且很難訓(xùn)練出來一個無偏的模型。因此，需要在訓(xùn)練過程中進(jìn)行動態(tài)采樣，如果樣本數(shù)量多則減少采樣概率，而樣本數(shù)量少則增加采樣概率。百度視覺團(tuán)隊分別進(jìn)行全集數(shù)據(jù)訓(xùn)練、固定框選子集訓(xùn)練、動態(tài)采樣模型訓(xùn)練三種策略進(jìn)行。
全集數(shù)據(jù)訓(xùn)練：按照主辦方提供數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，mAP 達(dá)到 0.50。
固定框選子集訓(xùn)練：線下固定對每個類別最多選擇 1000 個框，mAP 達(dá)到 0.53。
動態(tài)采樣模型訓(xùn)練：對每個 GPU、每個 Epoch 采用線上動態(tài)采樣，每次采集的數(shù)據(jù)都不同，輪數(shù)達(dá)到一定數(shù)目后，整個全集的數(shù)據(jù)都能參與整體訓(xùn)練。最后 mAp 達(dá)到 0.56。
動態(tài)采樣策略
FPN
基于訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的分析，百度視覺團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)其中 500 個類別的尺度有很大的差異。因此他們將 FPN 引入到檢測模型中，即利用多尺度多層次金字塔結(jié)構(gòu)構(gòu)建特征金字塔網(wǎng)絡(luò)。在實驗中，百度視覺團(tuán)隊以 ResNet101 作為骨干網(wǎng)絡(luò)，在不同階段的最后一層添加了自頂向下的側(cè)連接。自頂向下的過程是向上采樣進(jìn)行的，水平連接是將上采樣的結(jié)果與自底向上生成的相同大小的 feature map 合并。融合后，對每個融合結(jié)果進(jìn)行 3*3 卷積以消除上采樣的混疊效應(yīng)。值得注意的是，F(xiàn)PN 應(yīng)該嵌入到 RPN 網(wǎng)絡(luò)中，以生成不同的尺度特征并整合為 RPN 網(wǎng)絡(luò)的輸入。最終，引入 FPN 后的 mAP 可達(dá)到 0.528。
Deformable Convolution Networks
百度視覺團(tuán)隊采用可變形卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)增強了 CNNs 的建模能力?？勺冃尉矸e網(wǎng)絡(luò)的思想是在不需要額外監(jiān)督的情況下，通過對目標(biāo)任務(wù)的學(xué)習(xí)，在空間采樣點上增加額外的偏移量模塊。同時將可變形卷積網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于以 ResNet101 作為骨架網(wǎng)絡(luò)的 Faster R-CNN 架構(gòu)，并在 ResNet101 的 res5a、5b、5c 層之后應(yīng)用可變形卷積層，并將 ROI Pooling 層改進(jìn)為可變形位置敏感 ROI Pooling 層。可變形卷積網(wǎng)絡(luò)的 mAP 性能為 0.552。
Cascade R-CNN
比賽中，百度視覺團(tuán)隊使用級聯(lián)的 R-CNN 來訓(xùn)練檢測模型。除訓(xùn)練基本模型外，還使用包含五個尺度特征金字塔網(wǎng)絡(luò)（FPN）和 3 個尺度 anchors 的 RPN 網(wǎng)絡(luò)。此外，他們還訓(xùn)練了一個針對全類模型中表現(xiàn)最差的150類的小類模型，并對這 150 類的模型分別進(jìn)行評估。得出的結(jié)論是，500 類模型的 mAP 為 0.477，而用 150 類單模型訓(xùn)練結(jié)果替換 500 類的后 150 類的結(jié)果，模型的 mAP 提升為 0.498。使用以上方法進(jìn)行訓(xùn)練的單尺度模型的性能為 0.573。
Testing Tricks
在后處理階段，百度視覺團(tuán)隊使用了 Soft NMS 和多尺度測試的方法。用 Soft NMS 的方法代替 NMS 后，在不同模型上有 0.5-1.3 點的改進(jìn)，而 Multi-Scale Testing 在不同模型上則有 0.6-2 個點的提升。
模型融合
對于每個模型，百度視覺團(tuán)隊在 NMS 后預(yù)測邊界框。來自不同模型的預(yù)測框則使用一個改進(jìn)版的 NMS 進(jìn)行合并，具體如下：
給每個模型一個 0～1 之間的標(biāo)量權(quán)重。所有的權(quán)重總和為 1；
從每個模型得到邊界框的置信分?jǐn)?shù)乘以它對應(yīng)的權(quán)重；
合并從所有模型得到的預(yù)測框并使用 NMS，除此之外百度采用不同模型的分?jǐn)?shù)疊加的方式代替只保留最高分模型，在這個步驟中 IOU 閾值為 0.5。
（完）
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