【Mask RCNN】论文详解(真的很详细)
大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。
论文： http://cn.arxiv.org/pdf/1703.06870v3
推荐参考facebook的开源代码加深理解： https://github.com/facebookresearch/maskrcnn-benchmark
任何问题，请私聊我，优先解答购买专栏的同学~
目录：
4、Experiments: Instance Segmentation
4.2 Ablation Experiments（剥离实验）
4.3. Bounding Box Detection Results
5. Mask R-CNN for Human Pose Estimation
Appendix A: Experiments on Cityscapes
Appendix B: Enhanced Results on COCO
Instance Segmentation and Object Detection
摘要：
- Mask RCNN可以看做是一个通用实例分割架构。
- Mask RCNN以Faster RCNN原型，增加了一个分支用于分割任务。
- Mask RCNN比Faster RCNN速度慢一些，达到了5fps。
- 可用于人的姿态估计等其他任务；
1、Introduction
- Instance Segmentation（实例分割）不仅要正确的找到图像中的objects，还要对其精确的分割。所以Instance Segmentation可以看做object dection和semantic segmentation的结合。
- Mask RCNN是Faster RCNN的扩展，对于Faster RCNN的每个Proposal Box都要使用FCN进行语义分割。
- 引入了RoI Align代替Faster RCNN中的RoI Pooling。因为RoI Pooling并不是按照像素一一对齐的（pixel-to-pixel alignment），也许这对bbox的影响不是很大，但对于mask的精度却有很大影响。使用RoI Align后mask的精度从10%显著提高到50%，第3节将会仔细说明。
- 引入语义分割分支，实现了mask和class预测的关系的解耦，mask分支只做语义分割，类型预测和bbox回归任务交给另一个分支。这与原本的FCN网络是不同的，原始的FCN在预测mask时还用同时预测mask所属的种类。
- Mask RCNN就超过了当时所有的state-of-the-art模型。
- 使用8-GPU的服务器训练了两天。
2、Related Work
- 相比于FCIS，FCIS使用全卷机网络，同时预测物体classes、boxes、masks，速度更快，但是对于重叠物体的分割效果不好（为什么不好？）。
3、Mask R-CNN
- Mask R-CNN基本结构： 与Faster RCNN采用了相同的two-state结构：首先是通过一阶段网络找出RPN，然后对RPN找到的每个RoI进行分类、定位、并找到binary mask。这与当时其他先找到mask然后在进行分类的网络是不同的。
- Mask R-CNN的损失函数 ：
（当然了，你可以在这里调权以实现更好的效果）
- Mask的表现形式(Mask Representation)： 因为没有采用全连接层并且使用了RoIAlign，我们最终是在一个小feature map上做分割。
- RoIAlign： RoIPool的目的是为了从RPN网络确定的ROI中导出较小的特征图(a small feature map，eg 7×7)，ROI的大小各不相同，但是RoIPool后都变成了7×7大小。RPN网络会提出若干RoI的坐标以[x,y,w,h]表示，然后输入RoI Pooling，输出7×7大小的特征图供分类和定位使用。问题就出在RoI Pooling的输出大小是7×7上，如果RON网络输出的RoI大小是8*8的，那么无法保证输入像素和输出像素是一一对应，首先他们包含的信息量不同（有的是1对1，有的是1对2），其次他们的坐标无法和输入对应起来。这对分类没什么影响，但是对分割却影响很大。RoIAlign的输出坐标使用插值算法得到，不再是简单的量化；每个grid中的值也不再使用max，同样使用差值算法。
- Network Architecture: 为了表述清晰，有两种分类方法
- 使用了不同的backbone：resnet-50，resnet-101，resnext-50，resnext-101；
- 使用了不同的head Architecture：Faster RCNN使用resnet50时，从Block 4导出特征供RPN使用，这种叫做ResNet-50-C4
- 作者使用除了使用上述这些结构外，还使用了一种更加高效的backbone：FPN（特征金字塔网络）
3.1 Implementation Details
使用Fast/Faster相同的超参数，同样适用于Mask RCNN
- Training:
1、与之前相同，当IoU与Ground Truth的IoU大于0.5时才会被认为有效的RoI，
只把有效RoI计算进去。
2、采用image-centric training，图像短边resize到800，每个GPU的mini-batch设置为2，每个图像生成N个RoI，在使用ResNet-50-C4 作为backbone时，N=64，在使用FPN作为backbone时，N=512。作者服务器中使用了8块GPU，所以总的minibatch是16， 迭代了160k次，初始lr=0.02，在迭代到120k次时，将lr设定到 lr=0.002，另外学习率的weight_decay=0.0001， momentum = 0.9。如果是resnext，初始lr=0.01,每个GPU的mini-batch是1。
3、RPN的anchors有5种scale，3种ratios。为了方便剥离、如果没有特别指出，则RPN网络是单独训练的且不与Mask R- CNN共享权重。但是在本论文中，RPN和Mask R-CNN使用一个backbone，所以他们的权重是共享的。
（Ablation Experiments 为了方便研究整个网络中哪个部分其的作用到底有多大，需要把各部分剥离开）
- Inference： 在测试时，使用ResNet-50-C4作为 backbone情况下proposal number=300，使用FPN作为 backbone时proposal number=1000。然后在这些proposal上运行bbox预测，接着进行非极大值抑制。mask分支只应用在得分最高的100个proposal上。顺序和train是不同的，但这样做可以提高速度和精度。mask 分支对于每个roi可以预测k个类别，但是我们只要背景和前景两种，所以只用k-th mask，k是根据分类分支得到的类型。然后把k-th mask resize成roi大小，同时使用阈值分割(threshold=0.5)二值化
4、Experiments: Instance Segmentation
4.1 Main Results
在下图中可以明显看出，FCIS的分割结果中都会出现一条竖着的线(systematic artifacts)，这线主要出现在物体重的部分，作者认为这是FCIS架构的问题，无法解决的。但是在Mask RCNN中没有出现。
4.2 Ablation Experiments（剥离实验）
- Architecture: 从table 2a中看出，Mask RCNN随着增加网络的深度、采用更先进的网络，都可以提高效果。注意：并不是所有的网络都是这样。
- Multinomial vs. Independent Masks:(mask分支是否进行类别预测) 从table 2b中可以看出，使用sigmoid(二分类)和使用softmax(多类别分类)的AP相差很大，证明了分离类别和mask的预测是很有必要的
- Class-Specific vs. Class-Agnostic Masks: 目前使用的mask rcnn都使用class-specific masks，即每个类别都会预测出一个mxm的mask，然后根据类别选取对应的类别的mask。但是使用Class-Agnostic Masks，即分割网络只输出一个mxm的mask，可以取得相似的成绩29.7vs30.3
- RoIAlign: tabel 2c证明了RoIAlign的性能
- Mask Branch: tabel 2e，FCN比MLP性能更好
4.3. Bounding Box Detection Results
- Mask RCNN精度高于Faster RCNN（为什么呢？分割和bbox检测不是单独分开互不影响吗？难道加上分割分支可以提高bbox检测效果？有空做做实验）
- Faster RCNN使用RoI Align的精度更高
- Mask RCNN的分割任务得分与定位任务得分相近，说明Mask RCNN已经缩小了这部分差距。
4.4. Timing
- Inference： 195ms一张图片，显卡Nvidia Tesla M40。其实还有速度提升的空间，比如减少proposal的数量等。
- Training： ResNet-50-FPN on COCO trainval35k takes 32 hours in our synchronized 8-GPU implementation (0.72s per 16-image mini-batch)，and 44 hours with ResNet-101-FPN。
5. Mask R-CNN for Human Pose Estimation
让Mask R-CNN预测k个masks，每个mask对应一个关键点的类型，比如左肩、右肘，可以理解为one-hot形式。
- 使用cross entropy loss，可以鼓励网络只检测一个关键点;
- ResNet-FPN结构
- 训练了90k次，最开始lr=0.02，在迭代60k次时，lr=0.002,80k次时变为0.0002
Appendix A: Experiments on Cityscapes
包含fine annotations images：2975 train ，500 val，1525 test
图片大小 2048×1024
使用COCO的AP作为评价指标
数据十分不平衡！
Implementation:
- 使用ResNet-FPN-50作为back bone，不适用ResNet-FPN-101是因为数据集小，没什么提升。
- 训练时，图像短边从[800,1024]随机选择,可以减小过拟合。
- 在预测时，图像短边都是1024
- 每个GPU的mini-batch为1,共8个GPU
- 训练24k次，初始lr为0.01,18k时减小到0.001,
- 总共训练时间8小时
Results：
- person和car存在大量的类内重叠，给分割网络提出了挑战，但是Mask-RCNN成功解决了
- 这个数据集十分不平衡，truck，bus，train的数据量很少，所以使用的coco数据集预训练Mask RCNN，分析上表，其他网络预测准确率低也主要低在truck，bus，train三个类别上，所以使用coco预训练还是很有用的。
- 验证数据集val和测试数据集test AP的差距较大，主要原因在于truck，bus，train三类训练数据太少，person，car这种训练数据多的类别就不存在这种现象。即使使用coco数据集进行预训练也无法消除这种bias。
Appendix B: Enhanced Results on COCO
Instance Segmentation and Object Detection
使用一些技巧，可提高精度。可以在这里找到之后的更新：https://github.com/facebookresearch/Detectron
- Updated baseline： 使用不同的超参数 ， 延长迭代次数至180k次，初始学习率不变，在120k和160k时减小10倍，NMS的阈值从默认的0.3改为0.5。
- End-to-end training: 之前的学习都是先训练RPN，然后训练Mask RCNN。
- ImageNet-5k pre-training: 数据量比coco增加了5倍，预训练更有效