每日文献（十一）——Part two

今天从第四章：快速RCNN，方法细节开始介绍。

目录

四、快速RCNN：方法细节

4.1 快速R-CNN回顾

4.2 对抗网络设计

4.2.1 遮挡的对抗空间信息损失

4.2.2 对抗空间Transformer网络

4.2.3 对抗融合

五、实验

5.1 实验设置

5.2 PASCAL VOC2007结果

5.2.1 消融分析

5.2.2 基于种类的分析

5.2.3 定性结果

5.3 PASCAL VOC2012 和 MS COCO数据集结果

5.4 和OHEM的对比

六、结论

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四、快速RCNN：方法细节

现在我们来描述一下框架的细节。我们首先简要介绍我们的基础检测器Fast-RCNN。接下来是对抗性生成空间的描述。在本文中，我们特别关注生成不同类型的遮挡和变形。最后，在第5节中，我们描述了我们的实验设置，并展示了与基线相比有显着改进的结果。

4.1 快速R-CNN回顾

我们在Fast-RCNN框架的基础上构建目标检测[6]。Fast-RCNN由两部分组成:(i)用于特征提取的卷积网络;(ii)具有RoI池层和几个输出目标类和边界框的完全连接层的RoI网络。

给定一个输入图像，Fast-RCNN的卷积网络将整个图像作为输入，并产生卷积特征映射作为输出。由于这些操作主要是卷积和max-pooling，所以输出feature map的空间维度会随着输入图像的大小而变化。给定特征映射，使用RoIpooling层将目标建议[40]投影到特征空间上。roi池层裁剪和调整大小，为每个目标提案生成固定大小的特征向量。这些特征向量然后通过完全连接的层。完全连接层的输出是:(i)包括背景类在内的每个目标类的概率;(ii)边界框坐标。

对于训练，分别对这两个输出应用SoftMax损失和回归损失，并将梯度反向传播到所有层以执行端到端学习。

4.2 对抗网络设计

我们考虑了对抗网络与Fast-RCNN (FRCN)检测器竞争的两种类型的特征代。第一种生成类型是遮挡。在这里，我们提出了对抗性空间丢弃网络(ASDN)，它学习如何遮挡给定的目标，从而使FRCN难以分类。本文考虑的第二种生成类型是变形。在这种情况下，我们提出了对抗空间变形网络(ASTN)，它学习如何旋转物体的“部分”，使它们难以被检测器识别。通过与这些网络竞争并克服障碍，FRCN学习以鲁棒的的方式处理目标遮挡和变形。请注意，在训练期间，ASDN和ASTN是与FRCN同时学习的。联合训练可以防止检测器过度拟合固定生成策略产生的障碍。

与在输入图像上产生遮挡和变形相比，我们发现对特征空间的操作更加高效和有效。因此，我们设计我们的对抗网络来修改特征，使目标更难识别。请注意，这两个网络仅在训练期间应用，以改进检测器。我们将首先分别介绍ASDN和ASTN，然后将它们合并在一个统一的框架中。

4.2.1 遮挡的对抗空间信息损失

我们提出了一种对抗性空间Dropout网络(ASDN)，用于在前景物体的深层特征上创建遮挡。回想一下，在标准的Fast-RCNN管道中，我们可以在roi池化层之后获得每个前景目标提案的卷积特征。我们使用这些基于区域的特征作为对抗网络的输入。给定目标的特征，ASDN将尝试生成一个掩码，指示特征的哪些部分要删除(分配零)，以便检测器无法识别目标。

更具体地说，给定一个目标，我们提取大小为d×d× c的特征X，其中d是空间维度，c表示通道数量(例如，c = 256,d =6在AlexNet中)。考虑到这个特征，我们的ASDN将预测一个掩码M，其d×d值在阈值后要么为0，要么为1。我们在图(b)中可视化了阈值处理前的一些掩模。我们将temij表示为掩码第i行和第j列的值。类似地，Xijk表示特征在位置i, j处通道k中的值。如果Mij =1，我们去掉特征映射X对应空间位置的所有通道的值，即Xijk =0，∀k。

网络架构

我们使用标准的FastRCNN (FRCN)架构。我们使用来自ImageNet[2]的预训练初始化网络。对抗网络与FRCN共享卷积层和roi池层，然后使用自己单独的全连接层。请注意，我们没有与Fast-RCNN共享ASDN中的参数，因为我们正在优化两个网络以执行完全相反的任务。

模型预训练

在我们的实验中，我们发现在使用ASDN来改进Fast-RCNN之前，为创建闭塞的任务预训练ASDN是很重要的。在更快的RCNN检测器[28]的激励下，我们在这里应用了分阶段训练。我们首先在没有ASDN的情况下训练我们的Fast-RCNN检测器进行10K次迭代。由于检测器现在对数据集中的对象有感觉，我们通过固定检测器中的所有层来训练ASDN模型来创建遮挡。

初始化ASDN网络

为了初始化ASDN网络，给定空间布局为d × d的特征映射X，我们在其上应用大小为d3 × d3的滑动窗口。我们通过将窗口投影回图像3(a)来表示滑动窗口过程。对于每个滑动窗口，我们将其空间位置被窗口覆盖的所有通道中的值删除，并为区域建议生成新的特征向量。然后将该特征向量通过分类层来计算损失。根据所有三维×三维窗口的损耗，选择损耗最大的窗口。然后使用该窗口创建单个d × d遮罩(1表示窗口位置，0表示其他像素)。我们为n个正区域建议生成这些空间掩模，得到n对训练样例{(X1, M ~ 1)，…， (Xn, M ~ n)}为我们的对抗性辍学网络。这个想法是，ASDN应该学会生成掩码，这可以给检测器网络带来高损失。我们将二值交叉熵损失应用到ASDN的训练中，它可以表示为:

(a)模型预训练:经过筛选的遮挡样例，选择硬遮挡作为训练ASDN网络的真实值(b) ASDN网络生成的遮挡样例。当传递到FRCN管道时，黑色区域被遮挡。

其中Aij(Xp)表示给定输入特征映射Xp, ASDN在位置(i, j)的输出。我们用这个损失训练ASDN进行10K次迭代。图(b)显示，网络开始识别物体的哪一部分对分类有意义。还要注意，我们的输出掩码与[31]中提出的注意力掩码不同，后者使用注意力机制来促进分类。在我们的例子中，我们使用遮罩遮挡部分，使分类更加困难。

采样阈值

ASDN网络产生的输出不是二进制掩码，而是连续的热图。而不是使用直接阈值，我们使用重要性采样来选择前13个像素遮罩。注意，在训练过程中，抽样过程包含了样本的随机性和多样性。更具体地说，给定一张热图，我们首先选择具有最高概率的前1/2个像素，然后随机选择其中的1/3个像素，将其赋值为1，其余的2/3个像素设置为0。

联合训练

给定预训练好的ASDN和FastRCNN模型，我们在每次训练迭代中对这两个网络进行联合优化。为了训练Fast-RCNN检测器，我们首先使用ASDN在前向传播过程中进行roi池化后的特征上生成掩码。我们执行采样来生成二进制蒙版，并使用它们在RoIpooling层之后删除特征中的值。然后，我们转发修改的特征来计算损失并端到端训练检测器。请注意，虽然我们的特性被修改了，但标签保持不变。通过这种方式，我们创建了“更难”和更多样化的示例来训练检测器。

对于训练ASDN，由于我们采用采样策略将热图转换为不可微的二进制掩码，因此我们不能直接从分类损失中反向支持梯度。或者，我们从强化[42]方法中汲取灵感。我们计算了哪些二进制掩码导致Fast-RCNN分类分数显著下降。我们只使用这些硬示例掩模作为真实值，直接使用方程 1中描述的相同损失来训练对抗网络

4.2.2 对抗空间Transformer网络

现在我们介绍对抗性空间变压器网络(ASTN)。其关键思想是在目标特征上产生变形，使检测器难以识别目标。我们的网络建立在b[14]中提出的空间变压器网络(STN)的基础上。在他们的工作中，STN被提出对特征进行变形以使分类更容易。另一方面，我们的网络正在做完全相反的任务。通过与我们的ASTN进行竞争，我们可以训练出一个对变形具有鲁棒的的更好的检测器。

STN回顾

空间变压器网络[14]有三个组成部分:定位网络，电网发电机和采样器。给定特征图作为输入，定位网络将估计变形的变量(例如，旋转度，平移距离和比例因子)。这些变量将被用作网格生成器和采样器在特征图上操作的输入。输出是一个变形的特征映射。注意，我们只需要学习本地化网络中的参数。STN的关键贡献之一是使整个过程可微，从而使定位网络可以通过反向传播直接针对分类目标进行优化。有关更多技术细节，请参阅[14]。

对抗STN

在我们的对抗性空间变形网络中，我们关注的是特征图的旋转。也就是说，给定一个在roi池化层之后的特征图作为输入，我们的ASTN将学习旋转特征图以使其更难识别。我们的定位网络由3个完全连接的层组成，其中前两层使用ImageNet预训练网络中的fc6和fc7层进行初始化，就像我们的对抗性空间丢弃网络一样。

我们联合训练了ASTN和Fast-RCNN检测器。对于检测器的训练，与ASDN中的过程类似，我们的ASTN首先对roi池化后的特征进行变换，然后转发给更高层来计算SoftMax损失。为了训练ASTN，我们对其进行了优化，使检测器将前景对象分类为背景类。与训练ASDN不同的是，由于空间变换是可微的，我们可以直接利用分类损失对ASTN定位网络中的参数进行逆prop和微调。

实现细节

在实验中，我们发现限制ASTN产生的旋转度是非常重要的。否则，很容易将目标颠倒过来，这在大多数情况下是最难识别的。我们将旋转度限制在10◦顺时针和逆时针。我们不是在同一方向上旋转所有的特征图，而是将通道维度上的特征图划分为4个块，并对不同的块估计4个不同的旋转角度。由于每个通道对应于一种类型特征的激活，因此旋转通道分别对应于目标在不同方向上的旋转部分，从而导致变形。我们还发现，如果我们对所有特征图使用一个旋转角度，ASTN通常会预测最大的角度。通过使用4个不同的角度而不是一个角度，我们增加了任务的复杂性，从而防止了网络预测琐碎的变形。

4.2.3 对抗融合

ASDN和ASTN这两个对抗网络也可以在同一个检测框架下进行组合和训练。因为这两个网络提供不同类型的信息。通过同时与这两个网络竞争，我们的检测器变得更加鲁棒的。

我们以顺序的方式将这两个网络组合到Fast-RCNN框架中。如图4所示，roi池后提取的特征映射首先被转发到我们的ASDN，其中删除了一些激活。修改后的特征通过ASTN进一步变形。

ASDN和ASTN相结合的网络架构。首先创建遮挡遮罩，然后旋转通道以生成用于训练的硬示例。

五、实验

我们在PASCAL VOC 2007、PASCAL VOC 2012[4]和MS COCO[18]数据集上进行了实验。作为标准实践，我们对PASCAL VOC 2007数据集进行了大部分烧蚀研究。我们还报告了PASCAL VOC 2012和COCO数据集上的数字。最后，我们将我们的方法与在线硬例挖掘(OHEM)[33]方法进行了比较。

5.1 实验设置

PASCAL VOC

对于VOC数据集，我们使用“trainval”集进行训练，使用“test”集进行测试。我们遵循标准Fast-RCNN[6]的大部分设置进行训练。我们申请SGD 80K来训练我们的模型。学习率从0.001开始，在60K次迭代后下降到0.0001。我们在训练中使用选择性搜索建议[40]。

MS COCO

对于COCO数据集，我们使用' trainval35k '集进行训练，使用' minival '集进行测试。在Fast-RCNN b[6]的训练过程中，我们使用了32万次迭代的SGD。学习率从0.001开始，在280K次迭代后下降到0.0001。对于目标建议，我们使用DeepMask建议[24]。

在所有的实验中，我们用于训练的小批量大小是256个建议和2个图像。我们遵循Fast-RCNN的Torch实现[44]。有了这些设置，我们的基线值略好于[6]中报告的值。为了防止Fast-RCNN对修改后的数据进行过拟合，我们在批处理中提供了一张没有任何对抗性遮挡/变形的图像，并将我们的方法应用于批处理中的另一张图像。

5.2 PASCAL VOC2007结果

我们在表1中报告了Fast-RCNN训练期间使用ASTN和ASDN的结果。对于AlexNet架构[16]，我们实现的基线是57.0% mAP。基于此设置，与我们的ASTN模型联合学习达到58.1%，与ASDN模型联合学习的性能更高，达到58.5%。由于这两种方法是互补的，将ASDN和ASTN结合到我们的完整模型中可以再次提高58.9%的mAP。

VOC 2007测试检测平均精度(%) 参考FRCN[6]与我们的训练时间表。

对于VGG16架构[36]，我们进行了相同的一组实验。首先，我们的基线模型达到了69.1%的mAP，远高于2010年报道的66.9%。在此基础上，与我们的ASTN模型联合学习，mAP提高到69.9%，ASDN模型的mAP达到71.0%。我们采用ASTN和ASDN的完整模型将性能提高到71.4%。我们的最终结果在基线上提高了2.3%。

为了证明我们的方法也适用于非常深度的cnn，我们在训练Fast-RCNN中应用了ResNet-101[9]架构。如表1中的最后两行所示，使用ResNet-101的Fast-RCNN的性能为71.8% mAP。通过对抗性训练，结果为73.6%的mAP。我们可以看到，我们的方法在不同类型的体系结构上一致地提高了性能。

5.2.1 消融分析

ASDN分析

我们使用AlexNet架构将我们的对抗性空间丢弃网络与训练中的各种丢弃/遮挡策略进行比较。我们尝试的第一个简单基线是RoI-Pooling之后特征上的随机空间dropout。为了进行公平的比较，我们掩盖了与ASDN网络相同数量的神经元的激活。如表2所示，随机dropout的性能为57.3% mAP，略好于基线。我们比较的另一个dropout策略是我们在预训练ASDN中应用的类似策略(图3)。我们详尽地枚举不同类型的遮挡，并在每次迭代中选择最佳遮挡进行训练。性能为57.7% mAP (Ours (hard dropout))，略好于随机dropout。

VOC 2007测试检测平均精度(%)。对抗性空间辍学网络的消融分析。frcn ?参考FRCN[6]与我们的训练时间表。

由于我们发现穷尽策略只能探索非常有限的闭塞策略空间，因此我们使用预训练的ASDN网络来取代它。然而，当我们固定ASDN的参数时，我们发现性能为57.5% mAP (Ours(固定ASDN))，不如穷举策略好。原因是固定的ASDN没有收到任何来自更新的Fast-RCNN的反馈，而穷举搜索得到了。如果我们联合学习ASDN和Fast-RCNN，我们可以得到58.5%的mAP，比基线提高1.5%，没有dropout。这一证据表明，ASDN和FastRCNN的联合学习是不同之处。

ASTN分析

我们比较了我们的对抗性空间Transformer网络与随机抖动的目标建议。增强包括在Fast-RCNN训练过程中对建议的尺度、长宽比和旋转的随机变化。对于AlexNet，使用随机抖动的性能为57.3% mAP，而我们的ASTN结果为58.1%。对于VGG16，我们有68.6%的随机抖动和69.9%的ASTN。对于这两种体系结构，ASTN模型比随机抖动效果更好。

5.2.2 基于种类的分析

图5显示了每个类别的性能随闭塞和变形的变化情况。有趣的是，被ASTN和ASDN帮助的类别似乎非常相似。似乎植物和瓶子的性能都提高了对抗训练。然而，将两种转换结合在一起似乎可以提高某些类别的性能，这些类别仅使用遮挡或变形会受到伤害。具体来说，像汽车和飞机这样的类别通过结合两个对抗过程而得到帮助。

与基线FRCN相比，APs的变化。

5.2.3 定性结果

图6显示了使用诊断代码[10]的方法的一些误报。这些例子是精心挑选的，它们只出现在对抗性学习的误报列表中，而不是最初的FastRCNN。这些结果表明了对抗性学习的一些缺点。在某些情况下，对手会产生类似于其他目标类别的变形或遮挡，并导致过度泛化。例如，我们的方法隐藏了自行车的轮子，这导致轮椅被归类为自行车。

我们方法的一些误报。这些是对抗性训练中最常见的误报，而不是最初的Fast-RCNN。

5.3 PASCAL VOC2012 和 MS COCO数据集结果

我们在表3中显示了在PASCAL VOC 2012数据集上使用VGG16的结果，其中我们的基线性能为66.4%。我们使用ASDN和ASTN联合学习的完整方法将mAP提高2.6%，达到69.0%。这再次表明VGG对VOC2012的性能提升是显著的。我们还观察到，我们的方法提高了VOC 2012中除沙发以外的所有类别的性能。我们认为这可能是因为VOC 2012的多样性更大。

VOC 2012测试检测平均精度(%)。参考FRCN[6]与我们的训练时间表。

最后在MS COCO数据集中报告结果。VGG16架构的基线方法在VOC指标上为42.7% AP50，在标准COCO指标上为25.7% AP。通过应用我们的方法，我们在VOC和COCO指标上分别实现了46.2%的AP50和27.1%的AP。

5.4 和OHEM的对比

我们的方法也与在线硬例挖掘(OHEM)方法相关。我们的方法允许我们对数据集中可能不存在的数据点进行采样，而OHEM受数据集的约束。然而，OHEM的特征更真实，因为它们是从真实图像中提取的。比较而言，我们的方法(71.4%)优于OHEM(69.9%)。然而，我们的结果(69.0%)不如OHEM(69.8%)。由于这两种方法在训练中生成或选择不同类型的特征，我们认为它们应该是互补的。为了证明这一点，我们使用了这两种方法的集合，并将其与OHEM和我们单独针对VOC 2012的单独集合进行比较。结果表明，两种方法的mAP合集达到71.7%，而两个OHEM模型(71.2%)或我们的两个模型(70.2%)的mAP合集则不太好，说明两种方法的互补性。

六、结论

目标检测的长期目标之一是学习对遮挡和变形不变化的目标模型。目前的方法主要是通过使用大规模数据集来学习这些不变性。在本文中，我们认为，像类别一样，闭塞和变形也遵循长尾分布:其中一些非常罕见，即使在大规模数据集中也很难对其进行采样。我们建议使用对抗性学习策略来学习这些不变性。关键思想是结合原始目标检测器来学习对手。这个对手在飞行中创建了具有不同遮挡和变形的示例，这样这些遮挡/变形使得原始目标检测器难以分类。我们的对抗网络不是在像素空间中生成示例，而是修改特征来模拟遮挡和变形。我们在实验中表明，这种对抗性学习策略在VOC和COCO数据集上的检测性能显著提高。