DETRs with Collaborative Hybrid Assignments Training论文笔记

Title：[DETRs with Collaborative Hybrid Assignments Training

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1. Motivation

当前的DETR检测器中，为了实现端到端的检测，使用的标签分配策略是二分匹配，使得一个ground-truth只能分配到一个正样本。分配为正样本的queries太少，从而导致对encoder的输出监督过于稀疏（sparse）。

与二分匹配相反，在传统的检测器（如Faster-RCNN、ATSS）中，一个ground-truth会根据位置关系分配到多个anchor作为正样本。这种标签分配方式能够为特征图上的更多区域提供位置监督，就能让检测器的特征学习得更好。

Co-DETR的关键就是利用通用的one-to-many label assignments来提高DETR检测器训练encoder和decoder的有效性及效率。

2. one to one VS one to many

为了比较这两种不同的标签分配方法在Encoder特征图上的差异，论文直接把Deformable-DETR的decoder换成了ATSS head，使用相同的可视化方法进行了比较，效果如下：

很明显，一些显著区域中的特征在one to many matching方法中被充分激活，但在one to one matching中很少被激活。因此，论文认为正是这两种分配方式的差异使得DETR模型中的encoder特征表达能力减弱了。

同时，作者还对encoder生成的特征表示和decoder中的attention进行了定量分析：

• 左边的IoF-IoB曲线表明ATSS相较于Defomable DETR更容易区分前景和背景；
• 右边的IoF-IoB曲线表明Group DETR（其将更多的正样本query引入到decoder中）和Co-Deformable-DETR拥有更多的正样本query，其更有利于cross attention的学习。

最终的结论同样是：一对一匹配相比于一对多匹配会分别损害encoder特征和decoder中attention的学习。

3. Method

为了能够让DETR检测器利用到一对多匹配的优势，论文基于DETR的训练框架引入了两点改进，分别对应到上文提到的encoder feature learning和decoder attention learning。

Co-DETR只在训练阶段加入辅助检测头，因此仅在训练阶段中引入额外的计算开销，不会影响到模型推理的效率。

（1）Encoder feature learning

在上文的分析中，我们发现在encoder后插入一个传统的ATSS检测头就能让encoder的特征更加显著。

受到这个的启发，为了增强encoder的学习能力，论文首先利用multi-scale adapter，将encoder输出的特征转化为多尺度的特征。

对于使用单尺度特征的DETR，这个adapter的结构就类似于simple feature pyramid。而对于多尺度特征的DETR，这个结构就是恒等映射。之后我们将多尺度的特征送入到多个不同的辅助检测头，这些检测头都使用一对多的标签分配。

由于传统检测器的检测头结构轻量，因此带来的额外训练开销较少。

（2）Decoder attention learning

为了增强decoder的attention学习，我们提出了定制化的正样本query生成。

在上文的分析中，我们发现传统检测器中的anchor是密集排列的，且能够提供dense且尺度敏感的监督信息。

那么我们能不能把传统检测器中的anchor作为query来为attention的学习提供足够的监督呢？当然是可以的，在上一步中，辅助的检测头已经分配好了各自的正样本anchor及其匹配的ground-truth。

我们选择直接继承辅助检测头的标签分配结果，将这些正样本anchor转化为正样本query送到decoder中，在loss计算时无需二分匹配，直接使用之前的分配结果。

与其他引入辅助query的方法相比，这些工作会不可避免地引入大量的负样本query，而我们只在decoder引入了正样本，因此带来的额外训练代价也较小。