本文被收錄于 CVPR 2019，通訊作者單位為阿聯(lián)酋起源人工智能研究院（IIAI）。受啟發(fā)于傳統(tǒng)的特征點(diǎn)檢測(cè)任務(wù)和最近的全卷積式關(guān)鍵點(diǎn)檢測(cè)和配對(duì)的工作，本文作者提出了一種無(wú)需密集滑窗或鋪設(shè)錨點(diǎn)框、全卷積式預(yù)測(cè)目標(biāo)中心點(diǎn)和尺度大小的行人檢測(cè)方法，為目標(biāo)檢測(cè)提供了一個(gè)新的視角。

論文地址：https://arxiv.org/abs/1904.02948

代碼地址：https://github.com/liuwei16/CSP

簡(jiǎn)介

目標(biāo)檢測(cè)通常采用傳統(tǒng)的密集滑窗的方式或者當(dāng)前主流的鋪設(shè)錨點(diǎn)框（anchor）的檢測(cè)方式，但不管哪種方式都不可避免地需要針對(duì)特定數(shù)據(jù)集設(shè)計(jì)甚至優(yōu)化滑窗或錨點(diǎn)框超參數(shù)，從而增加了訓(xùn)練難度并限制了檢測(cè)器的通用性。

能否跳出這種窗口式或錨點(diǎn)框式的限制而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)？

本文重新回顧了早期的屬于低層視覺(jué)的特征檢測(cè)或者感興趣區(qū)域檢測(cè)的思路，其中大部分是基于卷積式的響應(yīng)。受此啟發(fā)，本文把目標(biāo)檢測(cè)當(dāng)作一個(gè)具有高階語(yǔ)義的特征檢測(cè)任務(wù)，為目標(biāo)檢測(cè)提供一個(gè)新的視角。具體地，像邊緣、角點(diǎn)、斑點(diǎn)或感興趣區(qū)域等低層特征檢測(cè)，本文方法也掃描全圖尋求感興趣特征點(diǎn)，為此卷積是自然勝任的。但跟傳統(tǒng)的底層特征不一樣的是，本文進(jìn)一步尋求具有高階語(yǔ)義的抽象特征點(diǎn)，如行人、人臉等，而當(dāng)今的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)具備這種高階語(yǔ)義的抽象能力。此外，類(lèi)似斑點(diǎn)或感興趣區(qū)域檢測(cè)，本文也同時(shí)為每個(gè)中心點(diǎn)預(yù)測(cè)出目標(biāo)的尺度，這也是一個(gè)直接的卷積式預(yù)測(cè)。因此，本文以行人檢測(cè)為例將目標(biāo)檢測(cè)簡(jiǎn)化為一個(gè)直接的全卷積式的中心點(diǎn)和尺度預(yù)測(cè)任務(wù)，并將該方法命名為 CSP（Center and Scale Prediction）檢測(cè)器。雖然該檢測(cè)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但在主流的 Caltech 和 Citypersons 行人檢測(cè)數(shù)據(jù)集中依然達(dá)到了當(dāng)前最好的檢測(cè)性能，同時(shí)具有與單階段檢測(cè)器相當(dāng)?shù)臋z測(cè)速度，因此是個(gè)簡(jiǎn)而可用的新的檢測(cè)思路。

研究動(dòng)機(jī)

在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域，特征點(diǎn)檢測(cè)是一個(gè)非常基礎(chǔ)且重要的任務(wù)。通常，它被當(dāng)成是一種低層視覺(jué)技術(shù)，包括邊緣檢測(cè)、角點(diǎn)（或關(guān)鍵點(diǎn)）檢測(cè)和感興趣區(qū)域檢測(cè)等。一般而言，一個(gè)特征點(diǎn)通常是圖像的一個(gè)感興趣部分，特征點(diǎn)檢測(cè)是指抽取圖像信息并給出每個(gè)像素點(diǎn)上是否存在給定的一種特征的決策。而對(duì)于圖像信息的抽取，當(dāng)今的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）被認(rèn)為具有對(duì)圖像的高度抽象能力，因此 CNN 也被廣泛應(yīng)用于特征點(diǎn)檢測(cè)，并取得了非常有吸引力的結(jié)果。例如近些年基于 CNN 的邊緣檢測(cè)方法取得了很大的進(jìn)展，它們揭示了 CNN 可以獲得非常連續(xù)且光滑的邊緣，也說(shuō)明 CNN 比傳統(tǒng)方法具有更強(qiáng)的抽象能力。這種高度的抽象能力不應(yīng)被局限于低層視覺(jué)特征點(diǎn)的檢測(cè)，它應(yīng)該具有很大的潛力能夠檢測(cè)更高層的抽象的語(yǔ)義特征點(diǎn)。

為此，能否將目標(biāo)檢測(cè)這樣一個(gè)高層視覺(jué)任務(wù)簡(jiǎn)化為語(yǔ)義特征點(diǎn)檢測(cè)的問(wèn)題？這正是本文所要探索的。就像關(guān)鍵點(diǎn)檢測(cè)一樣，檢測(cè)器通過(guò)掃描整張圖像以發(fā)現(xiàn)存在關(guān)鍵點(diǎn)的位置，顯然這種操作正是共享卷積運(yùn)算所擅長(zhǎng)的。但和傳統(tǒng)的低層關(guān)鍵點(diǎn)檢測(cè)不同的是，目標(biāo)檢測(cè)需要更加高層的抽象，也即需要尋找到每個(gè)目標(biāo)的中心點(diǎn)，這是深度模型具備潛力的。此外，和傳統(tǒng)的感興趣區(qū)域檢測(cè)類(lèi)似的是，目標(biāo)檢測(cè)還需要為每個(gè)中心點(diǎn)預(yù)測(cè)一個(gè)尺度，這也是卷積預(yù)測(cè)可以勝任的。基于以上兩點(diǎn)考慮，本文提出在全卷積網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，將目標(biāo)檢測(cè)構(gòu)建為一個(gè)目標(biāo)中心點(diǎn)檢測(cè)和目標(biāo)尺度預(yù)測(cè)的任務(wù)。一個(gè)簡(jiǎn)單的示意圖如下圖所示，首先將一張圖像輸入全卷積網(wǎng)絡(luò)，基于網(wǎng)絡(luò)提取的特征圖再卷積式地預(yù)測(cè)兩個(gè)映射圖，一個(gè)以熱圖的方式呈現(xiàn)目標(biāo)的中心點(diǎn)位置，一個(gè)負(fù)責(zé)預(yù)測(cè)目標(biāo)的尺度大小。在此基礎(chǔ)上，便可以將兩者映射到原圖上并解譯成目標(biāo)檢測(cè)框：中心點(diǎn)熱圖的位置對(duì)應(yīng)檢測(cè)框的中心位置，預(yù)測(cè)的尺度大小對(duì)應(yīng)檢測(cè)框的大小，而中心點(diǎn)熱圖上的置信度則對(duì)應(yīng)檢測(cè)框的得分。

對(duì)目標(biāo)檢測(cè)而言，從開(kāi)創(chuàng)性的 Viola-Jones 檢測(cè)器開(kāi)始，均采用的是密集滑動(dòng)窗口分類(lèi)器的形式。即使是當(dāng)前基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主流檢測(cè)器，不管是兩階段的 Faster R-CNN 系列，還是單階段的 SSD 系列，其采用的鋪設(shè)錨點(diǎn)框的檢測(cè)方法，本質(zhì)上仍然是子窗口分類(lèi)器的形式。即是說(shuō)，這些檢測(cè)器本質(zhì)上都是在訓(xùn)練一個(gè)局部分類(lèi)器用于判斷預(yù)設(shè)的子窗口或錨點(diǎn)框內(nèi)是否存在目標(biāo)。然而這些方法都不可避免地需要針對(duì)特定數(shù)據(jù)集設(shè)計(jì)甚至優(yōu)化滑窗或錨點(diǎn)框超參數(shù)，從而增加了訓(xùn)練難度并限制了檢測(cè)器的通用性。這些滑窗或錨點(diǎn)框超參數(shù)包括：窗口數(shù)目、窗口大小、長(zhǎng)寬比例、與標(biāo)注框的重疊率閾值等。這些超參數(shù)通常是檢測(cè)任務(wù)和數(shù)據(jù)集相關(guān)的，難以調(diào)優(yōu)也難以通用。一般而言，目標(biāo)檢測(cè)涉及兩個(gè)方面：目標(biāo)在哪里（where），以及目標(biāo)有多大（how）。但這些已有方法把這兩方面綁定在一個(gè)窗口或錨點(diǎn)框里，并通過(guò)局部分類(lèi)器一次性判斷各種不同大小、不同比例的窗口或錨點(diǎn)框是否是目標(biāo)。這種綁定就造成了超參數(shù)的各種組合問(wèn)題。而本文提出的 CSP 檢測(cè)器通過(guò)兩個(gè)直接的卷積解離了這兩個(gè)子問(wèn)題，以更自然的方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)，從而也規(guī)避了錨點(diǎn)框超參數(shù)的各種組合配置，簡(jiǎn)化了檢測(cè)器的訓(xùn)練困難。

此外，本文工作也受啟發(fā)于近年的一些關(guān)鍵點(diǎn)檢測(cè)和配對(duì)的工作。在已有工作中，全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（FCN）已被成功地應(yīng)用于多人姿態(tài)估計(jì)，通過(guò)先全卷積地檢測(cè)人體關(guān)鍵點(diǎn)然后進(jìn)行組合配對(duì)的方式。受此啟發(fā)，ECCV 2018 的兩個(gè)工作，CornerNet 和 TLL，通過(guò)一對(duì)對(duì)角點(diǎn)檢測(cè)或上下頂點(diǎn)檢測(cè)并兩兩配對(duì)的方式，成功地拋棄了錨點(diǎn)框?qū)崿F(xiàn)了目標(biāo)檢測(cè)（早期還有第一代 YOLO 和 DenseBox，但性能有一定局限）。雖然多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)需要額外的配對(duì)策略，有些配對(duì)方法較為復(fù)雜（如 TLL 里的 MRF），但這一系列工作依然啟發(fā)了本文更進(jìn)一步，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的全卷積式預(yù)測(cè)中心和尺度的檢測(cè)器。

方法實(shí)現(xiàn)

基本框架：下圖給出了 CSP 算法的整體框架，其結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，主要包含兩個(gè)模塊：特征提取模塊（Feature Extraction）和檢測(cè)頭模塊（Detection Head）。

特征提取模塊：以 ResNet-50 為例，低層的特征圖擁有較高的空間分辨率，因而能提供更多的定位信息，而高層的特征圖則包含更多的語(yǔ)義信息，為此可以把低層和高層的特征圖融合成一個(gè)特征圖用于檢測(cè)任務(wù)。具體地，出于減少算法復(fù)雜度的考慮，這里采用一種最簡(jiǎn)單的特征融合方式：首先對(duì)所有要融合的特征圖進(jìn)行 L2 歸一化，再利用反卷積層將第 3、4 和 5 級(jí)的特征圖分辨率提升到和第 2 級(jí)的特征圖分辨率保持一致，也即原圖的 1/4，然后再將這些特征圖在通道維度上拼接起來(lái)，得到最終用于檢測(cè)的特征圖（圖中紫色部分）。給定一張輸入圖像，其大小為，則用于檢測(cè)的特征圖的大小為 H/r×W/r，其中 代表降采樣率，一個(gè)更大的 意味著特征圖分辨率較小進(jìn)而導(dǎo)致檢測(cè)器定位性能下降，而一個(gè)更小的 則會(huì)帶來(lái)更多的計(jì)算負(fù)擔(dān)。

檢測(cè)頭模塊：基于以上特征圖，檢測(cè)頭負(fù)責(zé)將特征圖解譯成檢測(cè)結(jié)果。在檢測(cè)頭模塊中，首先接上一個(gè) 3x3 卷積層將輸入特征圖的維度壓縮到 256，然后接上兩個(gè)并聯(lián)的 1x1 卷積層產(chǎn)生目標(biāo)中心點(diǎn)熱圖和目標(biāo)尺度預(yù)測(cè)圖，這樣相較于 R-CNN 及 SSD 等系列工作而言極大地簡(jiǎn)化了檢測(cè)頭模塊。實(shí)驗(yàn)表明中心點(diǎn)檢測(cè)和尺度預(yù)測(cè)已經(jīng)足以勝任行人檢測(cè)任務(wù)。但采用降采樣的特征圖會(huì)影響目標(biāo)定位性能，為了彌補(bǔ)這一缺陷，在中心點(diǎn)以及尺度預(yù)測(cè)之外，還可以額外添加一個(gè)偏移預(yù)測(cè)分支，用以進(jìn)一步預(yù)測(cè)中心點(diǎn)到真實(shí)目標(biāo)中心的偏移。

訓(xùn)練標(biāo)簽：給定真實(shí)目標(biāo)包圍框的標(biāo)注，算法就可以自動(dòng)生成中心點(diǎn)和尺度的訓(xùn)練目標(biāo)，如下圖所示，（a）給出了兩個(gè)行人目標(biāo)的真實(shí)包圍框，（b）給出了中心點(diǎn)和尺度的生成示例：對(duì)于中心點(diǎn)，當(dāng)目標(biāo)中心落在哪個(gè)位置，則在該位置賦值 1（也即正樣本），其它位置賦值 0（也即負(fù)樣本）；對(duì)于尺度圖，當(dāng)目標(biāo)中心落在哪個(gè)位置，則在該位置賦值尺度的 log 值，其它位置賦值 0。取 log 函數(shù)是為了將分布范圍較大的原始尺度壓縮在一定的范圍內(nèi)，并且誤差是尺度無(wú)關(guān)的，以有利于檢測(cè)器的訓(xùn)練。考慮到單一中心點(diǎn)的不確定性，在圖（c）中我們還定義了一個(gè)高斯掩碼，用以降低中心點(diǎn)周?chē)?fù)樣本的權(quán)重，這點(diǎn)將在定義損失函數(shù)時(shí)進(jìn)一步介紹。

值得一提的是，目標(biāo)尺度可以定義為目標(biāo)高度和（或）寬度。對(duì)于行人檢測(cè)而言，為了得到更緊致的目標(biāo)包圍框，近期的研究均采用人體中軸線(xiàn)標(biāo)注，也即確定行人的上頂點(diǎn)和下頂點(diǎn)并形成連線(xiàn)得到行人高度，然后采用固定的長(zhǎng)寬比 0.41 直接確定行人寬度，進(jìn)而生成目標(biāo)包圍框。基于此，CSP 行人檢測(cè)器可以只預(yù)測(cè)目標(biāo)高度然后根據(jù)固定長(zhǎng)寬比 0.41 生成檢測(cè)框用于后續(xù)評(píng)估，這是由行人直立行走的特性決定的。但對(duì)于其他非行人目標(biāo)而言，CSP 的尺度預(yù)測(cè)就需要同時(shí)預(yù)測(cè)目標(biāo)高度和寬度，如下文提到的人臉檢測(cè)。

中心點(diǎn)偏移量的訓(xùn)練目標(biāo)的定義與尺度類(lèi)似，卷積預(yù)測(cè)的通道包含兩層，分別負(fù)責(zé)水平方向和垂直方向的偏移量，假設(shè)目標(biāo) k 的中心點(diǎn)坐標(biāo)為 (x_k, y_k)，則在標(biāo)簽圖中目標(biāo)中心所在的位置賦值為，其中「·」代表取整函數(shù)，其它位置賦值為 0。

損失函數(shù)：目標(biāo)中心點(diǎn)預(yù)測(cè)是一個(gè)二分類(lèi)問(wèn)題，也即判斷熱圖的每個(gè)位置是否存在目標(biāo)中心點(diǎn)，是中心點(diǎn)則為正樣本，否則為負(fù)樣本。然而通常情況下一個(gè)「完美」的目標(biāo)中心點(diǎn)是很難定義的。由于正樣本周?chē)呢?fù)樣本距離中心點(diǎn)非常近，很容易被標(biāo)注誤差所干擾，因此直接將其指定為負(fù)樣本會(huì)給檢測(cè)器的訓(xùn)練帶來(lái)困擾。對(duì)此，本文在每個(gè)正樣本及其周?chē)捎靡粋€(gè)高斯掩碼，該高斯掩碼以目標(biāo)中心點(diǎn)為中心坐標(biāo)，其水平/垂直方差與目標(biāo)的寬度/高度成正比。如果兩個(gè)目標(biāo)的高斯掩碼之間存在重合，則擇取二者中的最大值。為了應(yīng)對(duì)正負(fù)樣本數(shù)量極端不平衡的問(wèn)題，本文也采用 CornerNet 中的 focal 策略——對(duì)難樣本賦予更大的權(quán)重。具體損失函數(shù)定義詳見(jiàn)論文細(xì)節(jié)。由此，結(jié)合高斯掩碼和 focal 策略，一是難樣本的權(quán)重得到了增強(qiáng)，二是在正樣本周?chē)呢?fù)樣本的權(quán)重得到了降低。最后，目標(biāo)的尺度預(yù)測(cè)可以構(gòu)建為一個(gè)回歸問(wèn)題，由經(jīng)典的平滑 L1 損失給出。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文提出的方法在 Caltech 和 Citypersons 行人檢測(cè)數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了驗(yàn)證，其中標(biāo)注是采用的基于中心線(xiàn)的緊致標(biāo)注。這是當(dāng)前最主流的行人檢測(cè)數(shù)據(jù)集。采用的評(píng)估指標(biāo)是單圖虛檢（FPPI）在 [0.01, 1] 范圍時(shí)的對(duì)數(shù)平均漏檢率（MR-2）。

在 Caltech 數(shù)據(jù)集上，結(jié)果如下圖所示。僅用 Caltech 訓(xùn)練集訓(xùn)練時(shí)，在測(cè)試集的合理（Reasonable）子集上，CSP 的平均漏檢率為 4.5%，比當(dāng)前最好的 RepLoss 的 5.0% 好 0.5%。當(dāng)對(duì)比的方法都在 Citypersons 上預(yù)訓(xùn)練時(shí)，CSP 取得當(dāng)前最好的平均漏檢率 3.8%。在嚴(yán)重遮擋子集上，CSP 沒(méi)有預(yù)訓(xùn)練時(shí)比 RepLoss 好 2.1%，有預(yù)訓(xùn)練時(shí)比 RepLoss 好 5.3%。值得指出的是，CSP 沒(méi)有額外設(shè)計(jì)針對(duì)遮擋的策略，而 RepLoss 和 OR-CNN 是專(zhuān)門(mén)針對(duì)遮擋設(shè)計(jì)的。

在 Citypersons 數(shù)據(jù)集上，結(jié)果如下表所示。所有結(jié)果都是針對(duì)中心線(xiàn)標(biāo)注、原始圖像（1024x2048）上測(cè)試的。可以看出，在合理子集上，CSP 比之前最好的 ALFNet 提升了 1.0%，在嚴(yán)重遮擋子集上提升了 2.6%，在小目標(biāo)上提升了 3.0%，而測(cè)試速度與 ALFNet 相當(dāng)，在 NVIDIA GTX1080Ti 單張顯卡上每張 1024x2048 大小的圖像平均用時(shí) 0.33 秒。特別是，同為無(wú)需錨點(diǎn)框的方法，CSP 比 TLL 提升了 4.5%，比 TLL+MRF 提升了 3.4%。

CSP 的小目標(biāo)檢測(cè)能力得益于大分辨率的特征圖。而對(duì)于遮擋，傳統(tǒng)的基于密集滑窗（如 VJ 檢測(cè)器）或者基于 Faster R-CNN、采用感興趣區(qū)域池化（ROI Pooling）的檢測(cè)器，本質(zhì)上都是對(duì)目標(biāo)區(qū)域的一個(gè)整體判斷的分類(lèi)器，因此目標(biāo)區(qū)域的遮擋和背景等信息是包含在其整體判斷里的。而本文提出的 CSP 對(duì)目標(biāo)在哪里和有多大進(jìn)行了解離，在熱圖上只檢測(cè)中心點(diǎn)，尺度大小是額外預(yù)測(cè)的，因此受遮擋的影響相對(duì)較小。

后續(xù)工作

為了進(jìn)一步驗(yàn)證 CSP 檢測(cè)器的通用性，本文作者還進(jìn)一步在 WiderFace 人臉檢測(cè)數(shù)據(jù)集上做了后續(xù)實(shí)驗(yàn)。其中尺度采用了高度+寬度預(yù)測(cè)，因?yàn)?nbsp;WiderFace 的人臉標(biāo)注是包含各種變化的寬高比的。CSP 在 WiderFace 訓(xùn)練集上訓(xùn)練的結(jié)果分別在驗(yàn)證集和測(cè)試集上進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示。可見(jiàn) CSP 取得了與當(dāng)前領(lǐng)先的人臉檢測(cè)算法可比較的檢測(cè)性能，而這其中大部分算法都是基于「錨點(diǎn)框」的。特別是在困難子集上，驗(yàn)證集和測(cè)試集上 CSP 都達(dá)到了比當(dāng)前已發(fā)表的方法更好的性能。

此外，本文作者進(jìn)一步測(cè)試了人臉檢測(cè)器的泛化能力。對(duì)于同樣是在 WiderFace 上訓(xùn)練好的 CSP 和 DSFD 模型（兩者性能非常接近，DSFD 在困難子集上，驗(yàn)證集 90.4%，測(cè)試集 90.0%），評(píng)估了它們?cè)谄渌麛?shù)據(jù)庫(kù)上直接測(cè)試的性能（AP）。結(jié)果是雖然在同為網(wǎng)圖的 FDDB 上兩者性能依然非常接近，在 UCCS 監(jiān)控視頻人臉檢測(cè)上 CSP 為11%，DSFD 為 7.6%；在一個(gè)待公開(kāi)的極端環(huán)境人臉檢測(cè) Benchmark 上，CSP 是 27%， DSFD 為 12%。值得注意的是，DSFD 是基于錨點(diǎn)框的人臉檢測(cè)器的優(yōu)秀代表，亦收錄于 CVPR2019，并且其一大貢獻(xiàn)就是改進(jìn)了錨點(diǎn)框的匹配策略。但對(duì)比跨庫(kù)測(cè)試結(jié)果可以看出，在一個(gè)庫(kù)上采用的錨點(diǎn)框配置，離開(kāi)這個(gè)庫(kù)可能會(huì)存在已配置好的錨點(diǎn)框的適用性問(wèn)題。而 CSP 是簡(jiǎn)單地預(yù)測(cè)目標(biāo)中心和尺度，無(wú)預(yù)設(shè)的錨點(diǎn)框配置，因此相對(duì)而言能更好地適應(yīng)不同的場(chǎng)景或數(shù)據(jù)集。

結(jié)語(yǔ)

近年流行的錨點(diǎn)框檢測(cè)器取得了很大的成功，但依然是 VJ 檢測(cè)器奠定的基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)深受滑窗分類(lèi)器的影響。然而，深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)高度的語(yǔ)義抽象能力開(kāi)辟了更廣闊的潛力，使得拋棄錨點(diǎn)框成為一種可能，而本文提出的 CSP 檢測(cè)器便是這方面的一種新的嘗試。目前已在行人檢測(cè)和人臉檢測(cè)上驗(yàn)證了有效性，未來(lái)可進(jìn)一步考慮拓展到車(chē)輛檢測(cè)和通用物體檢測(cè)等相關(guān)的檢測(cè)任務(wù)。