FCOS 论文学习

1. 解决了什么问题？

之前的目标检测器如 RetinaNet、SSD、YOLOv3 都依赖于 anchors。基于 anchors 的检测器有如下三个缺点：

检测表现对于 anchors 的大小、宽高比和数量等超参数很敏感；
即使精心设计了 anchors，但由于大小和宽高比都是固定的，检测器很难处理形状变化很大的物体，比如小目标；
为了提高召回率，基于 anchor 的检测器会在输入图像上放置大量的 anchor boxes。训练时，这里面的大多数都是负样本，造成

正负样本不均衡；

Anchor boxes 会带来复杂的计算，如计算 anchor box 和 gt box 的 IOU。

之前的基于 FCN 的框架有以下几个问题：

全卷积网络在语义分割、深度估计、关键点检测等任务上效果不错，唯独目标检测任务很少用全卷积、逐像素预测的架构；
DenseBox 利用了全卷积网络的架构，但是在图像金字塔上完成检测，与 FCN 思想相悖，对于重叠目标的检测效果不好，无法分辨重叠区域内像素属于哪个边框。

2. 提出了什么方法？

将目标检测任务以逐像素预测的方式解决，提出了一个无需 anchor、无需 proposal 的检测方法。

2.1 全卷积单阶段目标检测器

主干 CNN 网络的第 $i$ 层特征图记做 $F_i\in \mathbb{R}^{H\times W\times C}$ ， $s$ 是到当前层的总步长。输入图像的 ground-truth 边框记做 $\lbrace B_i\rbrace$ ，其中 $B_i=(x_0^{(i)},y_0^{(i)},x_1^{(i)},y_1^{(i)},c^{(i)})\in \mathbb{R}^4 \times \lbrace 1,2,...,C\rbrace$ 。这里 $x_0^{(i)},y_0^{(i)})$ 和 $x_1^{(i)},y_1^{(i)})$ 表示边框左上角和右下角的坐标。 $c^{(i)}$ 是该边框内目标的类别， $C$ 是类别数。

特征图 $F_i$ 上的每个点 $(x, y)$ 可以映射回输入图像的坐标 $(\lfloor \frac{s}{2}\rfloor+xs,\lfloor \frac{s}{2}\rfloor+ys)$ ，位于 $(x, y)$ 感受野的中心附近。Anchor-based 检测器将输入图像上的每个位置看作 anchor boxes 的中心点，然后根据这些 anchor boxes 回归出目标框，而 FCOS 是直接回归目标框。FCOS 将每个位置都看作为训练样本，这与语义分割里面的 FCN 一样。
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如果位置 $(x, y)$ 落在任意一个 ground-truth 框内，则认为它是正样本，该位置的类别标签 $c^*$ 就是 ground-truth 框的类别。否则，该位置就是负样本，类别标签 $c^*=0$ （背景类）。此外，该位置还有一个 4D 向量 $\mathbf{t}^*=(l^*,t^*,r^*,b^*)$ 作为回归目标。 $l^*,t^*,r^*,b^*$ 分别是该位置到边框四条边的距离。如果一个位置落在多个边框内，则认为它是模糊样本。选择面积最小的边框作为回归目标。通过多层级预测，模糊样本数量能大幅降低，因此很难影响检测表现。如果一个位置 $(x, y)$ 与边框 $B_i$ 关联，则该位置的训练回归目标写作：
$l^*=x-x_0^{(i)},\quad\quad t^*=y-y_0^{(i)}$
$r^*=x_1^{(i)}-x,\quad\quad b^*=y_1^{(i)}-y$

FCOS 能利用尽可能多的前景样本来训练回归任务，而基于 anchor 的检测器只会将与 ground-truth 框 IOU 足够大的样本作为正样本。
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网络输出

最后一层预测一个 $80$ 维向量 $p$ 的分类标签，以及一个 $4$ 维的向量 $\mathbf{t}=(l,t,r,b)$ 的边框坐标。它没有训练一个多类别分类器，而是训练 $C$ 个两类别的分类器。在主干网络特征图后面，加了4个卷积层，分别用于类别预测和坐标回归。因为回归的目标总是正数，故而在回归分支上使用了 $\exp(x)$ 将任意实数映射到 $(0,\infty)$ 范围。FCOS 的输出变量要比基于 anchor 的检测器少了 $9\times$ ，因为基于 anchor 的检测器一般会在每个位置使用 $9$ 个 anchor boxes。

损失函数

损失函数定义为：
$L(\lbrace p_{x,y}\rbrace,\lbrace t_{x,y}\rbrace)=\frac{1}{N_{pos}}\sum_{x,y}L_{cls}(p_{x,y},c^*_{x,y})+\frac{\lambda}{N_{pos}}\sum_{x,y}\mathbb{I}_{\lbrace c^*_{x,y}>0\rbrace L_{reg}(t_{x,y},t^*_{x,y})}$
$L_{cls}$ 是 focal loss， $L_{reg}$ 是 IOU 损失。 $N_{pos}$ 是正样本个数， $\lambda=1$ 是平衡 $L_{reg}$ 的权重。对特征图 $F_i$ 所有的点进行计算求和。 $\mathbb{I}_{\lbrace c_i^*>0\rbrace}$ 是指标函数，当 $c^*_i>0$ 则为 $1$ ，不然为 $0$ 。

推理

FCOS 推理很直接。给定输入图像，经过网络得到特征图 $F_i$ 上每个位置的分类得分 $p_{x,y}$ 和回归目标 $t_{x,y}$ ，将 $p_{x,y}>0.05$ 的当作正样本，进而得到预测框。

2.2 FPN 多层级预测

有两类问题可以通过 FPN 多层级预测得到解决。

CNN 最后一层的输出特征图如果步长很大，会造成很低的召回率。对于 FCOS，看上去似乎其召回率要低于 anchor-based 方法，因为大步长可能造成有些物体无法出现在最后一层特征图上。但本文发现，FCOS 的召回率并不低。此外，有了 FPN 加持，其召回率能进一步得到提升。
Ground-truth 边框重叠可能引起一定歧义，重叠区内的一个点应该属于哪个目标框？通过多层级预测，这类歧义可以被有效解决。

根据 FPN，我们可以在不同层级特征图上检测出不同大小的目标。可以使用的特征图有 $\lbrace P_3,P_4,P_5,P_6,P_7\rbrace$ ， $P_3,P_4,P_5$ 是对主干网络的 $C_3,C_4,C_5$ 特征图使用 $1\times 1$ 卷积和 top-down 连接得到。对 $P_5$ 使用一个步长为 $2$ 的卷积得到 $P_6$ ，再对 $P_6$ 使用一个步长为 $2$ 的卷积得到 $P_7$ 。因此 $P_3,P_4,P_5,P_6,P_7$ 的步长分别是 $8, 16, 32, 64, 128$ 。

Anchor-based 检测器会为不同的特征层级分配不同大小的 anchor boxes，而 FCOS 直接约束每个层级的边框回归大小的范围。

首先计算所有的特征层级上每个位置的回归目标 $l^*,t^*,r^*,b^*$ 。
然后，如果一个位置满足 $max(l^*,t^*,r^*,b^*)>m_i$ 或 $max(l^*,t^*,r^*,b^*)<m_{i-1}$ ，它就设为负样本，不用再回归边框。

$m_i$ 是某一特征层级 $i$ 回归的最大距离。本文， $m_2,m_3,m_4,m_5,m_6,m_7$ 分别设为 $0,64,128,256,512,\infty$ 。这样，不同大小的物体会分到不同的特征层级上，大多数的重叠物体的尺度也不相同。如果一个位置仍然被分配到了多个 ground-truth 边框内，我们直接选择面积最小的 ground-truth 框作为目标。

不同的特征层级共享 heads，不仅可以节省了参数，也能提高表现。但是，作者发现不同特征层回归不同的大小范围，因此对不同特征层级使用相同配置的 heads 并不合理。于是，作者使用了 $exp(s_ix)$ 代替了 $\exp(x)$ ， $s_i$ 是一个可训练的标量，自动调节 $P_i$ 特征层级的 $\exp$ 函数，可提高检测表现。

2.3 Center-ness

仍然会出现许多的低质量预测框，这些低质量预测框的位置距离目标中心点较远。作者提出了一个简单有效的办法来抑制这些低质量预测框。增加了一个分支来预测位置的 center-ness，它只有一层，与分类分支并行。Center-ness 表示某个位置到其对应的目标中心点的归一化距离。给定某位置的回归目标 $l^*,t^*,r^*,b^*$ ，center-ness 目标定义为：
$\text{centerness}^*=\sqrt{\frac{\min(l^*,r^*)}{\max(l^*, r^*)}\times \frac{\min(t^*,b^*)}{\max(t^*, b^*)}}$

使用 $\sqrt{}$ 来降低 center-ness 衰减的速度。Center-ness 的范围在 $0$ 到 $1$ 之间，可用 BCE 损失训练，该损失加到上面损失函数里面。测试时，将预测 center-ness 得分和相应的分类得分乘起来，得到最终得分。Center-ness 可以降低远离目标中心点的边框的得分。这样 NMS 就可过滤掉这些低质量边框，提升检测表现。
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