[人工智能]Mask R-CNN（2018-01）

introduction

Mask R-CNN用于instance segmentation ，由Faster R-CNN通过在每一个ROI(Region ofinterest)增加一个预测 mask的分支扩展而来，与用于分类和bounding box回归的现有分支并行。

扩展的mask分支用于像素到像素的分割，这个分支是一个小的FCN网络用于每一个RoI。Mask R-CNN基于Faster R-CNN的基础上进行训练和实现，增加了结构设计的灵活性，同时仅增加了一点计算开销就可以快速实验。

Faster R-CNN 原则上不适用于像素的分类，作者在RoIPool(instance相关的核心操作，执行粗糙的空间量化用于提取特征)的基础上提出了一个简单、无量化的层，称为RoIAlign,保留了提取空间位置信息的能力。

看起来是一个很小的改变，但是RoIAlign具有很大影响，首先它将mask的精度从10%提高到了50%，在严格本地化指标下游更明显地提升。其次，对于解耦mask于分类预测很有必要，作者为每一个类别独立地预测一个二元mask，类别之间没有竞争，而且依赖于网络的RoI分类分支去预测类别。相反，FCNs（FCN类型的网络）通常对每个像素进行多个类别分类，将分割和分类耦合在一起，基于实验观察，对于instance segmentation效果很差。

COCO数据集像素标注格式

coco数据集中实例分割的标注格式：逐像素分割，有两种标注方式：polygons & RLE

在json文件中的annotations字段是包含多个annotation实例的一个数组，annotation类型本身又包含了一系列的字段，如这个目标的category id和segmentation mask。segmentation格式取决于这个实例是一个单个的对象（即iscrowd=0，将使用polygons-多边形格式）还是一组对象（即iscrowd=1，将使用RLE格式-一种压缩方式）。

annotation{
    "id": int,    
    "image_id": int,                  #图片id
    "category_id": int,               # 类别id，对应COCO 81个类中的一个
    "segmentation": RLE or [polygon], # 目标的分割区域
    "area": float,                    # 标注区域面积
    "bbox": [x,y,width,height],       #图片中目标的边框 ；注意这里给的是左上角坐标及宽度、高度，有时需要转化为左上角、右下角坐标
    "iscrowd": 0 or 1,                # 一个目标(0)还是多个目标(1)
}

annotations 中 segmentation 的格式取决于这个实例是单个对象还是一组对象。如果是单个对象，那么 iscrowd = 0，segmentation 使用 polygon 格式。但是这个对象可能被其他东西遮挡，导致分成了几个部分，此时需要用多个 polygon 来表示，所以 segmentation 其实是两层的列表。如果是一组对象，那么 iscrowd = 1，此时 semgentation 使用的就是 RLE 格式。

Polygon格式：

"segmentation": [ # 对象的轮廓点坐标                
	[
	    x1,y1,
	    x2,y2,
	    ...
	    xn,yn
	],
	...
],

RLE格式

COCO数据集的RLE都是uncompressed RLE格式（与之相对的是compact RLE）。 RLE所占字节的大小和边界上的像素数量是正相关的。RLE格式带来的好处就是当基于RLE去计算目标区域的面积以及两个目标之间的unoin和intersection时会非常有效率。 上面的segmentation中的counts数组和size数组共同组成了这幅图片中的分割 mask。其中size是这幅图片的宽高，然后在这幅图像中，每一个像素点要么在被分割（标注）的目标区域中，要么在背景中。很明显这是一个bool量：如果该像素在目标区域中为true那么在背景中就是False；如果该像素在目标区域中为1那么在背景中就是0。对于一个240x320的图片来说，一共有76800个像素点，根据每一个像素点在不在目标区域中，我们就有了76800个bit，比如像这样（随便写的例子，和上文的数组没关系）：00000111100111110…；但是这样写很明显浪费空间，我们直接写上0或者1的个数不就行了嘛（Run-length encoding)，于是就成了54251…，这就是标注中的counts数组。

RLE计数位置上奇数位置总是0的个数，偶数位置总是1的个数。

segmentation : 
{
    u'counts': [272, 2, 4, 4, 4, 4, 2, 9, 1, 2, 16, 43, 143, 24......], 
    u'size': [240, 320]
}

Mask-R-CNN

Mask-RCNN采用同样的两阶段处理过程，第一个阶段同样是RPN（与Faster R-CNN 一致)。
第二个阶段除了预测分类和bounding box偏移量之外，mask rcnn为每一个RoI预测一个二进制掩码。这与最近流行的系统形成了对比，他们分类依据依赖于掩码的预测。作者的方法遵循Fast R-CNN的精神并行运行bounding-box分类和回归。

形式上，训练过程中，每个采样RoI上的多任务损失为：$L=L_{cls}+L_{box}+L_{mask}$,分类损失和回归损失与Fast R-CNN一致。每个RoI的mask分支有$K{m}^2$维输出，编码K（类别个数）个分辨率为$m?m$（一张图像上逐像素用0、1标注出来物体还是背景）的二进制掩码，与K个类别一一对应。掩码损失$L_{mask}$是一个平均二元交叉熵，使用逐像素的sigmoid计算得到。

作者定义$L_{mask}$允许网络为每个类生成掩码，而不会产生类内竞争。论文依靠专用的分类分支来为选择的输出mask预测类别标签。Mask R-CNN解耦了掩码和类预测：它独立地为每个类预测一个二进制掩码，类之间没有竞争，并且依靠网络的 RoI 分类分支来预测类别。相比之下，FCN通常执行逐像素多类分类，它将分割和分类结合起来。

Network architecture

作者使用了两种backbone用来测试，使用ResNet或者ResNeXt50/101,原始的Faster R-CNN使用ResNet实现从第四阶段的最终卷积提取特征，作者称为C4.因此使用Resnet50就用Resnet50-C4表示。

另一种就是使用FPN作为backbone，以FPN作为backbone的Faster R-CNN根据规模从不同层级的特征金字塔提取RoI特征。使用ResNet-FPN作为backbone的Mask R-CNN在精度和速度上都有了提升。

FPN就是在卷积的每一层得到的特征映射进行1X1将channel数变得与上层一样，然后逐元素相加进行特征融合，将底层特征与高层特征结合在一起。

针对网络头，根据前边所述增加一个用于预测掩码的分支，如下图所示，扩展了两种heads，对应两种不同的backbone，图中数字表示空间分辨率与通道数，箭头表示卷积，反卷积、或全连接层（卷积保持空间维度，反卷积增加空间维度。）除了输出卷积是1X1，所有的卷积都是3X3，deconv是2X2，stride=2，隐藏层使用Relu。

左图中Res5表示ResNet第五阶段，为了简单起见，对其修改使第一个卷积操作在7X7的RoI上，stride=1. 右图中“X4”表示4个卷积层的堆叠。

mask 表示

mask对目标得空间布局进行编码，不像class label 或box offsets 不可避免的被全连接层处理成简短的vectors。mask的空间结构可以使用pixel to pixel 对应关系（像素对齐）自然的使用掩码提取出来。Mask RCNN使用一个全卷积网络，对每个RoI预测K（类别数）个$m?m$的掩码。这种像素到像素的操作，要求RoI特征（本身就是小尺寸特征图）很好的对齐，以显示的保持逐像素的空间对应关系。因此，作者提出了RoI Align层，在预测掩码的过程中起到重要作用。

RoI池化的作用是对每一个RoI提取小的特征映射，根据候选框的位置，将特征图中的对应区域池化为固定长度的特征图，以便进行后续的分类和box回归预测。由于候选框的位置通常是浮点数，而池化后的特征图要求尺寸固定，RoI池化这一操作存在两次量化的过程：一次是将候选框边界量化为整数点坐标（RoI池化操作时取整），还有一次把量化后的边界区域平均分割成KxK个单元，对每个单元的边界进行量化（获取固定尺寸特征映射，RoI等于只有一个空间池化的spp）。

经过两次量化操作，候选框的位置与开始有了一定偏移。这个偏移会影响检测或者分割的精度，称作“不对齐问题”

如下图所示，这是一个Faster-RCNN检测框架。输入一张800800的图片，图片上有一个665665的包围框(框着一只狗)。图片经过主干网络提取特征后，特征图缩放步长（stride）为32。因此，图像和包围框的边长都是输入时的1/32。800正好可以被32整除变为25。但665除以32以后得到20.78，带有小数，于是ROI Pooling 直接将它量化成20。接下来需要把框内的特征池化77的大小，因此将上述包围框平均分割成77个矩形区域。显然，每个矩形区域的边长为2.86，又含有小数。于是ROI Pooling 再次把它量化到2。经过这两次量化，候选区域已经出现了较明显的偏差（如图中绿色部分所示）。更重要的是，该层特征图上0.1个像素的偏差，缩放到原图就是3.2个像素。那么0.8的偏差，在原图上就是接近30个像素点的差别，这一差别不容小觑。

为了解决ROI Pooling的上述缺点，作者提出了ROI Align这一改进的方法(如下图)。ROI Align的思路很简单：取消量化操作，使用双线性内插的方法获得坐标为浮点数的像素点上的图像数值，从而将整个特征聚集过程转化为一个连续的操作，。值得注意的是，在具体的算法操作上，ROI Align并不是简单地补充出候选区域边界上的坐标点，然后将这些坐标点进行池化，而是重新设计了一套比较优雅的流程，如 图3所示：

遍历每一个候选区域，保持浮点数边界不做量化。
将候选区域分割成k x k个单元，每个单元的边界也不做量化。
在每个单元中计算固定四个坐标位置，用双线性内插的方法计算出这四个位置的值，然后进行最大池化操作。

原图片中大小为665*665的候选区域映射到特征图中，大小为665/32X665/32=20.78X20.78.此时不需要像RoI池化那样进行取整操作，RoIAlign会保留20.78这个浮点数。同样采用7X7的特征图，将大小为20.78X20.78 的映射区域划分为49个相同大小的bin，每个bin的大小为20.78/7X20.78/7=2.97X2.97（这里同样不进行取整）。设置一个采样点数，对每个滨采用双线性插值法计算其中采样点的像素值，再进行最大池化操作，即可得到该单元的最终值。

这个固定位置是指在每一个矩形单元（bin）中按照固定规则确定的位置。比如，如果采样点数是1，那么就是这个单元的中心点。如果采样点数是4，那么就是把这个单元平均分割成四个小方块以后它们分别的中心点（如上图）。显然这些采样点的坐标通常是浮点数，所以需要使用插值的方法得到它的像素值。在相关实验中，作者发现将采样点设为4会获得最佳性能，甚至直接设为1在性能上也相差无几。事实上，ROI Align 在遍历取样点的数量上没有ROIPooling那么多，但却可以获得更好的性能，这主要归功于解决了misalignment的问题。

RoI Align操作很大程度上解决了仅通过池化操作直接采样带来的对齐问题，也因此保留了大致的空间位置。使用RoIAlign层能够提高10%-50%的掩码精确度（accuracy），这种改进在更严格的定位度量指标下会有更好的结果。

训练

采用与Fast/Faster R-CNN 一致的超参数设置，如果RoI与gt-box的IoU大于等于0.5则认为是正样，否则为负样。mask 损失函数$L_{mask}$仅仅定义在正样本上，掩码目标是RoI与其关联的Ground Truth mask之间的交集。

采用以图像为中心的训练，图像调整短边大小为800pixels，每个GPU上每个mini_batch有2张图片，每张图片抽样N个RoIs，正负样本比例为1:3.对于C4 backbone来说N=64.在8张GPU上训练迭代160K次，学习率初始化为0.02在120K的时候减少10倍。使用Weight decay=0.0001，momentum=0.9。

RPN锚横跨5个尺寸和3个纵横比，为了简单，单独训练。

Reference

1. RoI Align https://blog.csdn.net/sxlsxl119/article/details/103433120

2. 插值算法：https://zhuanlan.zhihu.com/p/110754637

3. https://zhuanlan.zhihu.com/p/73113289

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