基于Attention-RPN和Multi-Relation Detector的少样本目标检测
作者：互联网
少样本目标检测任务目的：给定support images，在query image找到所有与support images中种类相同的物体，如下图。
左上角和右上角的叫做support image， 中间大图叫做query image。
本文主要贡献：
- 提出了一个新的适合于few-shot目标检测的数据集FSOD，这个数据集能够提高少样本目标检测效果，本文能够取得好效果也离不开这个数据集的功劳。
- 提出了一种新的few-shot目标检测算法，该算法不需要fine-tune，可以直接对未知类别进行少样本目标检测，例如假设训练数据集中没有头盔，该算法也能够对头盔进行目标检测，如上图。
首先介绍的是FSOD数据集。
FSOD: A Highly-Diverse Few-Shot Object Detection Dataset
主要是混合ImageNet和Open Image两个数据集，进行了标签的统一工作，并划分了训练集和测试集，数据集详情如图。
构造过程：
- 统一标签，比如在两个数据集中，分别有ice bear和polar bear，但这两个类别完全就是同一种类，因此在这里将类似的同语意标签进行合并。
- 移除面积小于图片尺寸0.05%的框。
- 划分训练集测试集，并且保证不会出现标签泄露的情况。具体做法如下：首先选取MS COCO数据集中的标签作为训练标签，因为很多情况下需要预训练网络，而这些预训练网络往往是在MS COCO中训练的；之后选取与COCO数据集差距最大的200个种类作为测试集；最后将剩下的所有种类加入到训练集中。
接下来重点介绍本文提出的算法，本文的总体框架以Faster R-CNN为基础，模型主要创新点在于提出一个新的RPN结构Attention-RPN和detector头网络Multi-Relation Detector，同时还提出了一种新的训练策略Two-way Contrastive Training Strategy。下图为整体网络结构图。
我会按顺序介绍介绍上述三点创新点，绝对通俗易懂。
Attention-Based Region Proposal Network
首先我们谈一谈原始的RPN（对这块知识不了解的同学请复习一下Faster R-CNN），原始的RPN主要用于对anchor的前景和背景进行分类，并不区分anchor的具体种类，因此，如果不引入support image的信息，那么RPN会对所有的前景anchor给出高置信度，这样有两个坏处：
第一，众所周知，在训练阶段，RPN会随机选取一定数量的正负样本ROI（Region of Proposal）送入下一阶段进行分类，如果对所有前景都给出高置信度，那么送入下一阶段的roi会包含许多与support image无关的类别，极端一点的情况甚至可能没有support image种类的ROI，那么后续的网络害怎么训练？？？
第二，在测试阶段的RPN会选取高于一定阈值的ROI送入下一阶段进行分类和回归，同样这时候也会送入一堆无关support image种类的ROI，关键这玩意又没用又浪费算力，这不是为难我后续的网络嘛。你说原来RPN网络这么设计是为了提高召回率，因为你也不知道要检测啥类别物体，我干脆都给你整出来，但现在我都知道你要找啥，还给你一股脑扔过去，那就有点问题了。
举个例子：训练阶段，RPN会对anchor进行分类以及回归，之后以正样本：负样本=1:3的比例随机选取512个ROI（注意anchor位移之后并被选中进入下一阶段的情况下才叫做ROI）。 我们具体以图1的support image和query image为例，我们所要查询的物体只是头盔，但是在query image中，以原始RPN的德行，它会把头盔、人和车都当做前景，这时候我们极端一点，假设本次RPN选取的128个正样本ROI，全是跟人和车有关，那么后续的网络根本接触不到马的信息，那还学个锤子。
因此作者提出了这个模块，最主要的目的就是提纯，让后续网络接收到的ROI更加纯净，也就是说尽可能的与support image种类有关。
那么怎么做，如下图。
在了解这个模块之前，我推荐各位首先了解一下Siamese-fc，这是将siamese结构用于目标追踪的算法，并且目前在目标追踪领域也算是占据非常重要的地位。在了解之后再来看这个结构就能一目了然，网上有许多关于Siamese-fc的博客，我主要简单说一下核心思想，很简单，就是把support image想象成一个巨大的卷积核，在query image上进行卷积，那么很容易就能想到，在query image上与support image长得像的区域，激活值就会很高，这样就很容易找到query image上的高度疑似区域。同样，这里也是采取了这样一个思想，并且采用了SiamRPN++中的depth-wise思想以及将X这个大卷积核的大小变为1（这个1是作者做实验得出的），反正不要太纠结，你只需要把这一步当成用一个大卷积核X在Y上做depth-wise卷积就完事了。
得到attention feature map G之后接一个正常的3X3卷积，有点类似于Separable Convolution（误？？一般的separable convolution先depth-wise再channel-wise，只不过一般的channel wise卷积核大小为1x1），不用纠结于这个细节。
总而言之，这部分做的工作就是提纯，让X这个大卷积核在Y上卷积，找出高响应区域，这些高响应区域往往对应着support image种类的ROI，这样可以提高后续分类网络的效率。现在我们可以进入下一阶段
Multi-Relation Detector
在R-CNN网络中，我们知道RPN选取的ROI经过roi-pooling操作，会得到固定大小的特征图，这些特征图会被送入到头网络进行具体种类的精细分类以及回归。在本文中，我们前一步修改的rpn已经产生了进行提纯后roi，所以我们希望这一部分能够对那些roi进一步提纯，也就是再进一步从这些roi中选出与support image种类一致的预测，这不就是二阶段检测网络的一大好处嘛，用第二阶段来强化第一阶段的结果。因此记住这一模块设计的目的：进一步提纯，或者说细提纯，而前一步对应的也就是粗提纯。
该模块结构如下图所示，想必大家看了肯定很困惑，这啥玩意？不用紧张，我第一眼看也不知道这是啥玩意，下面就来介绍一下该部分的具体实现以及意义。
我们看之前的整体网络结构图可以发现，最后的Multi-Relation Detector的输入是两部分的roi-pooling得到的特征图，分别来自support image和query image，为了更好的提纯，我们肯定需要计算support image中的特征与query image中的特征的相似性，然后留下相似性高的roi区域，剔除相似性低的roi区域，这不就轻松的完成了提纯的工作嘛，那么怎么计算呢？成了，这就是本模块的设计理念，计算相似性。
本模块有三个结构，并行计算相似度，也就是三个结构分别会对query image中每一个ROI计算出一个相似度，这时候每一个ROI区域就有三个置信度，将三个置信度结合起来，作者没说怎么结合，我估计就是简单的相加取平均，就得到了这个ROI最终的置信度。这时候我们就可以通过阈值大法，留下置信度阈值之上的框从而得到最终的预测结果。
接下来我会一个个介绍这三部分的具体实现。
Global Relation：用于学习我们先假设送过来的ROI特征图大小固定为7x7xC，C是通道数。这时候我们有两个ROI特征图，一个叫S来自support，一个叫Q来自query（当然query中可能有多个roi特征图，我们这里只以一个为例）。我们首先将这两个特征图concatenate，这时候就变成了7x7x2C，在经过一次全局平均池化，变成1x1x2C，相当于获取了全局信息。这时候就可以通过一系列全连接操作输出得到一个数值（从2C降维到1），该数值就是两ROI特征图相似性。
Local Relation: 先对两个ROI特征图分别用weight-share的1x1卷积进行channel-wise操作，然后再进行类似于Attention RPN的操作，如Fig.5所示，区别在于support image的ROI特征图不需要全局池化到1x1，而是直接以7x7的大小作为一个卷积核在query image的ROI特征图上进行channel-wise卷积，变成1x1xC，最后同样使用fc层得到预测相似度。
Patch Relation：我们首先将两个ROI特征图进行concatenate，变成7x7x2C，然后经过一系列结构如下图所示。注意图中的卷积结构后面都会跟一个RELU用来获得非线性，并且pooling和卷积结构都是stride=1以及padding=0，这样在经过这些操作之后，ROI特征图的大小会变为1x1x2C，这时候后面接一个全连接层用来获得相似度，除了相似度之外，还并行接了一个全连接层，作者说是产生bounding box predictions，我估计就是回归值，因为毕竟头网络会对ROI进行第二次回归。
同时作者还对这三个Relation Detector做了消融实验，结果如下。可以看出不同的Relation Detector结果会有较大的差异，但是三者结合起来，效果是最好。
这时候，相信各位对整体的模型有了一个了解，下面介绍一下训练策略。
Two-way Contrastive Training Strategy
在说训练策略之前，首先要提一下K-way N-shot，意思是说support images有K个种类，每个种类有N个实例。下面结合具体的例子解释一下。
在本文中，作者首先说，如果按照常规的思路，训练的时候网络需要输入两张图片，分别是query image和support image，而且需要保证query image中出现support image中的物体种类。
补充一点：如何构造support image呢？首先根据要查询的物体找到其对应的gt框，这时候并不是直接crop gt框内的内容，而是在gt框外面额外扩充16个像素（上下左右四个方向），并且还要进行0值padding，为什么要进行padding呢，原因很简单，因为我们最终需要保证输入的support image是一个正方形图片，在本文中是320X320，如果你需要查询的物体外形是一个长方形，那么直接crop之后resize到正方形，会造成形状形变，为了保证物体形状不变，所以需要使用0值填充，将刚才选定的gt+16个像素的区域根据长边填充到正方形，再进行resize，这样物体形状就不会变啦。
回到刚才的话题，这时候我们有了一张support 图片，因为只有一个查询物体，同样也只有一个种类，那么我们称之为1-way 1-shot。但是作者觉得，你训练的时候只提供一个support image，确实，网络经过这样的训练能够很好的在query image中找到要support image中的物体，但是，你也就召回率高点，你准确率呢？比如我需要查询的物体是马，你确实把马都给找到了，但你还给我找了一些羊是几个意思。所以作者想，不行，不能只给一个种类的support image给网络训练，我们还需要引入额外的support image，并且这个额外的support image中的物体种类还不能和之前的一样，比如再提供一张羊的图片作为训练数据，这个羊样本需要作为负样本，而马对应的则是正样本，这样可以提高网络的辨别能力。
这时候我们把马对应的support image叫做positive support，把羊对应的叫做negative support，如下图所示。现在我们的问题就变成了2-way, 1-shot。也就是本段的标题，Two-way Contrastive Training Strategy。那么这种情况我们怎么训练呢。这个问题很好。对于K-way 的training过程，作者的做法是对于每一个种类，都有专属于自己的支路，也就是专属的Attention RPN和Multi-Relation Detector，当然权重肯定是共享的，不然你支路学了也每没意义啊。这种策略也很好理解，对于positive support支路，网络就玩命的让他高召回，而对与negative support支路，网络就玩命的提高自己的辨别能力。
这里有一个细节，由于RPN的目的是选取ROI送入下一阶段，那么怎么选，选哪些ROI到下一阶段就非常有考究。如果不加以限定，那么很有可能产生大量的背景ROI（注意这里的前景背景roi不是传统意义上的前景，而是说将与positive support image中种类对应的ROI叫做前景，其他的全部叫做背景，比如上图中的人就是背景，而马是前景），尤其在这种2-way训练方法中，这种情况肯定会更加明显，这样肯定是不利于网络的训练的。因此作者这里人为限定了采样策略（就像在Faster R-CNN中一样，也是按照一定比例选取正负ROI送到下一阶段学习，否则负样本框会占据主导地位），在这里，我们首先定义以下几种配对的情况：
（1）前景ROI和positive support image（如上图中第一行）
（2）背景ROI和positive support image（如上图中第二行）
（3）ROI和negative support image（如上图中第三行第四行）
本文以1:2:1的固定比例对上述三种配对情况进行ROI采样，具体做法： 首先选取所有的（1）类型的ROI，假设有N个，这时候再选取top 2N的（2）类型ROI，同理，最后选取top N的（3）类型ROI，这里的排序规则是根据他们matching score，也就是这个框在RPN阶段对应的置信度。
这样很明显带来两个好处：
- 下一阶段网络训练的时候样本平衡，不会让背景ROI占据绝对主导地位
- 网络同时引入positive和negative support image，即能准确找到positive support image中的物体，也能与其他类别物体区别开。
作者通过实验发现这种做法能明显提高网络效果，那么既然多way能够提高效果，那么多shot呢。
我们首先了解一下多shot的实现，对于每个种类，如果同时输入N张support image，那么就是N-shot，作者的处理方法很简单，就是每张图片经过weight-share network之后都有一个特征图，简单的将这N张特征图相加取平均，之后就按照之前的1-shot套路走就完事了。下图是作者的k-way n-shot实验结果图，可以看过影响还是蛮大的。
总结：
- 提出了一个包含1000类别的少样本目标检测数据集FSOD
- 提出了一个新的少样本目标检测算法，并且该算法不需要fine-tune，可以直接用于未知类别。
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标签：ROI,Multi,卷积,support,Attention,Relation,query,image,RPN 来源： https://blog.csdn.net/weixin_36670529/article/details/115053697