遥感目标检测（1）--R3Det

目录

一、概述

二、三个挑战

三、网络架构​

1、旋转RetinaNet

2、精细化旋转RetinaNet

3、与RoIAlign（感兴趣区域插值）进行比较

4、消融实验与对比实验

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一、概述

        R3Det论文中提到一个端到端的精细化的单级旋转检测器，通过从粗到细的逐步回归的方法快速和准确地目标检测。

        考虑到现有的改进的单级检测器中特征错位的不足，我们设计了一个特征精细化模块（FRM），通过获得更准确的特征来提高检测性能。FRM特征细化模块核心就是进行逐像素的特征插值（双线性插值重新获取更精确的特征向量）。

        提出一个近似SkewIoU来解决SkewIoU计算不可推导的问题，也相较于Smooth L1 Loss对不同尺寸的旋转框有更好的拟合效果。

        本文也在DOTA、HRSC2016、UCAS-AOD三个遥感数据集和ICDAR2015场景文本数据集上进行了对比实验和消融实验，验证本文方法有效性。

二、三个挑战

        当前目标检测方法分为两类，以faster rcnn等rcnn系列为主的two-stage（二阶段检测器）和YOLO系列和SSD的one-stage（单级检测器）

        由于场景文本检测、零售场景检测、遥感物体检测中物体有不同的方向，所以提出符合通用检测框架的旋转检测器，其中本文提出三个挑战：

（1）大纵横比：大纵横比对象之间的联合倾斜交叉点得分对角度的变化很敏感。本文提出高精度、快速旋转的单级检测器，实现高精度检测，相较于基于学习的特征对齐方法，缺乏明确的机制来补偿错位，本文提出一个直接有效的基于纯计算的方法，来扩展到处理旋转的情况。

（2）对于密集排列的物体：由于在遥感领域等物体紧密排列。本文提出了一个从粗到细渐进回归的方法，首先使用水平锚来提高检测速度，在使用旋转锚来调整精度，这可以更加高效和灵活。

（3）任意旋转的物体：由于图像的物体可能出现在不同方向上，所以检测器需要具有判断不同方向的能力。本文提出了一种可推导的近似的SkewIoU损失，解决了SkewIoU计算不可微问题，相较于Smooth L1损失，可以实现更加精确的旋转估计，这种方法保留了准确的SkewIoU振幅，只是近似了SkewIoU损耗的梯度方向。

三、网络架构

         R3Det网络结构，首先使用Resnet的baseline，添加RetinaNet结构中的FPN，构建单级检测器，后使用残差结构添加FRM（特征细化模块）接二阶段（水平锚和旋转锚）分类和回归的subnet,其中Refined Stages的细化阶段可能会进行若干次。（其实这个改进单阶段检测器对比于改进二阶段检测器使用RoI Align和RoI Pooling，可以保持速度优势，仍然使用了全卷积结构）

        下图为RetinaNet网络结构可以进行对比，RetinaNet网络结构：ResNet+FPN+class和box的subnet。

1、旋转RetinaNet

        作为当时旋转框领域最为先进的模型R3Det，采用基于RetinaNet模型，使用x，y，w，h，θ，来将水平锚阶段结束的水平框转化为旋转框（真实框GT box，预测框bounding box）。

        

         公式中分别是真实框，锚框，预测框的参数。表示真实框的旋转框，预测框的旋转框的参数。

        由于水平框转换为旋转框的过程中，由于框的比例不同，导致求解损失函数Smooth L1 Loss时会出现交并比明显不同，但是损失函数相同的结果，使用近似的SkewIoU损失函数可以避免这个问题。例如下图的两种框：

         对于大长宽比的物体，他们对于SkewIoU十分敏感，但由于SkewIoU损失函数不可计算的原因，我们不能把SkewIoU直接作为回归损失，在SCRDet网络中对于小的、杂乱的、旋转的物体提供了可推导的SkewIoU损失函数。

        与传统回归损失相比，新的回归损失包括两个部分：确定梯度传播方向，是保证损失函数可推导的重要组成部分，负责调整损失值（即梯度大小），考虑到SkewIoU和Smooth L1损失之间的不一致性，使用第二个方程作为回归损失主导梯度函数。

在这里再写一遍cls、reg、obj的区别：

        cls：类别预测，对应类别预测损失，计算的是模型预测的类别与真实类别之间的差异

        reg：边界框回归，对应损失为IoU损失，计算的是模型预测的边界框与真实边界框之间的交并比差异。

        obj：目标存在概率，对应对象存在概率损失，计算的是模型预测的目标存在概率与真实存在概率之间的差异。

2、精细化旋转RetinaNet

精细检测

        精细化可以提高旋转检测的召回率，使用不同的IoU阈值来加入多个细化阶段，第一阶段使用前景IoU阈值0.5和背景IoU阈值0.4外，第一细化阶段的阈值使用0.6和0.5，其他的细化阶段使用阈值0.7和0.6。精细化检测的总损失计算如下：

         其中，为第i个细化过程的损失值，权衡系数为默认为1。

功能模块细化

         由于多次进行精细化检测使用同一个feature map，边界框位置变化导致feature错位，导致特征描述不准确，对于大长宽比和小样本的类别不利。

        本文提出在当前细化边界框的位置信息重新编码到对应的特征点时，一逐个像素点的方式重构feature map，实现特征对齐，在获取精细化检测框的对应位置特征信息中，使用了双线性插值的方法。

         文中提供了一个特征细化模块的伪代码如下，具体来说，通过进行双向卷积添加特征映射feature map，得到一个新的特征（LK），在细化过程中，只保留每个特征点得分最高的bounding box，以提高速度（框过滤算法，BF），同时保证每个特征点只对应一个细化的bounding box，框过滤是特征重构的重要步骤，对于特征图中的每个特征点，我们根据细化后的边界框的五个点（一个中心，四个角点）来获取对应的特征向量，最后采取双线性插值获得更精确的特征向量。最后将5个特征向量相加，替换当前的特征向量，重构特征图feature map。细化过程可以进行多次重复。

         本文给出FRM的内部算法可视化：

3、与RoIAlign（感兴趣区域插值）进行比较

        其实RoIAlign也是为了解决二阶段问题目标检测中特征错位的问题，为了弥补RoIPooling提取感兴趣区域后，导致的feature map错位而设计。

        相较于RoIAlign算法，FRM的优点如下：

（1）RoI Align采样点较多，对检测器性能影响较大，而FRM只抽取五个特征点（一个中心，四个角点）大约是RoI Align的四十分之一，可以提高速度优势。

（2）RoI Align在分类和回归之前首先获取RoI对应的特征，而FRM首先获取特征点对应特征，然后重构整个特征图，与RoI的全连接结构相比，FRM可以保持完整的卷积结构，效率更快，参数更少。

4、消融实验与对比实验

        针对FRM的算法中各阶段LK、FR和是否使用SkewIoU做了消融实验，结果一目了然，在全部使用的情况下mAP相较于旋转的RetinaNet-R高了7个百分点。

         针对不同场景的数据集也对上述变量做了测试，FRM还是略胜一筹。

         针对FRM中特征重构的算法双线性插值、随机双线性插值（不太懂还搜不到）和量化进行了对比实验，双线性插值的mAP高于其他各种算法，（反卷积和反池化有没有效果呢？）

         对于持续进行细化多次阶段在DOTA数据的不同的类别上的拟合效果进行了对比，作者验证大概2、3轮左右可以达到峰值。

        另外与当前主流模型进行了针对不同的类别的检测效果对比，二阶段的算法精准度整体优于一阶段是合理的，一阶段中R3Det基于ResNet152的backbone达到更好的精度效果，另外速度方面感觉会很慢（其他的二阶段基本都是用ResNet101对比的，除了个别模型）

         在速度方面使用HRSC数据集做了一个对比，但如果提高backbone的量级，时间上可能会有很大的劣势

 论文来源：https://arxiv.org/abs/1908.05612

 代码来源：https://github.com/SJTU-Thinklab-Det/r3det-on-mmdetection