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目标检测中的解耦和耦合、anchor-free和anchor-base

article 2024/11/14 17:50:17

解耦和耦合

写在前面

在目标检测中，objectness（或 objectness score）指的是一个评分，用来表示某个预测框（bounding box）中是否包含一个目标物体。

具体来说，YOLO等目标检测算法需要在每个候选区域（anchor box 或 grid cell）上进行多个任务的预测，比如：

类别分数：该区域是否属于某个特定类别（例如车、人、狗等）。
边界框回归参数：用于调整预测的边界框，使其更加贴合目标物体。
objectness：表示该预测框中是否包含物体的概率（即，不关心它是什么物体，只关心是否有物体存在）。

YOLO（You Only Look Once）中的“耦合头”和“解耦头”主要与模型的输出层结构以及任务的分离程度有关，尤其是在分类和回归任务上的处理方式。它们的主要区别在于如何处理不同任务（如分类和边界框回归）之间的耦合程度。具体来说：

1. 耦合头（Coupled Head）

在耦合头中，分类和回归任务使用共享的特征图，并通过一个单一的网络层来同时预测类别和边界框。这意味着分类和回归是耦合在一起的，由同一个网络结构同时进行。这种设计通常能够简化模型的结构和计算量，并且在一定程度上能够让分类和回归任务共享特征，可能在简单任务上具有较好的表现。

优点:
- 计算效率更高，因为分类和回归任务共享特征和计算资源。
- 网络结构相对简单，参数更少。
缺点:
- 分类和回归任务可能相互影响，尤其是在处理复杂目标时，分类和回归的精度可能受到影响。

2. 解耦头（Decoupled Head）

在解耦头中，分类和回归任务被分离为两个不同的分支。通常，会有两个独立的网络分支来分别处理分类和回归任务。每个任务有自己专门的特征提取和预测层，这种设计可以减少分类和回归之间的相互影响，从而在任务上达到更高的精度，尤其是在处理复杂场景时。

优点:
- 分类和回归的任务相对独立，减少相互干扰。
- 通常可以提高分类和边界框预测的精度，尤其是对于更复杂的目标检测任务。
缺点:
- 由于需要两个独立的分支，计算量和参数量增加。
- 计算效率比耦合头低。

总结

耦合头适合轻量化模型和计算资源有限的情况，追求更高的效率。
解耦头适合更复杂的目标检测任务，追求更高的精度。

anchor-free和anchor-base

Anchor-free 是一种目标检测方法，区别于传统的 Anchor-based 检测方法。Anchor-free 方法不依赖于预设的 Anchor box，而是直接预测目标物体的关键点或中心点来生成边界框。这种方法近年来在目标检测中变得越来越流行，尤其是在 YOLOv4, CenterNet, FCOS 等模型中都有应用。

Anchor-based 方法

在传统的 Anchor-based 方法中，目标检测器会在图像的每个位置放置多个预定义的 Anchor boxes。这些 Anchor boxes 是一组具有不同大小、纵横比的候选框，用于检测不同尺寸的物体。模型通过回归预测来调整这些 Anchor boxes，以拟合目标物体。

缺点:

需要设计和设置 Anchor box 的尺寸、比例，这通常需要根据数据集进行大量的调参。
Anchor boxes 数量多，计算成本高。
小物体或大物体可能无法很好地与预定义的 Anchor 匹配，导致检测精度下降。

Anchor-free 方法

Anchor-free 方法的关键思想是摆脱对预定义的 Anchor boxes 的依赖，而是直接从图像的像素、特征图上推断目标的位置和大小。主要有以下几种常见策略：

关键点检测：通过检测物体的关键点或中心点，然后利用这些关键点回归出边界框的参数。例如，CenterNet 就是基于物体的中心点进行检测。

关键点检测 是 Anchor-free 目标检测的一种实现方式，具体通过检测物体的某些关键点（如中心点或角点），从而确定物体的位置和边界框。这与传统的 Anchor-based 方法有显著区别，因为它不依赖预先定义的 Anchor box，而是直接在特征图上推断出物体的几何信息。

让我们逐步解析它的工作原理，尤其是以 CenterNet 为例：

1. 关键点检测的核心思想

传统的 Anchor-based 方法是通过大量的预设框（Anchor box）去拟合物体位置，而关键点检测方法直接通过检测物体的关键点，比如：

中心点（CenterNet）：直接预测物体的中心点。
角点（CornerNet）：预测物体的左上角和右下角。

物体的这些关键点是目标检测的核心，用来确定物体的位置和边界框。

2. 以 CenterNet 为例：基于中心点的检测

在 CenterNet 中，检测器会学习每个物体的 中心点。具体步骤如下：

中心点的检测：CenterNet 的输入是图片，它通过卷积神经网络（CNN）生成一个特征图。对于每个物体，网络会预测一个特征点，表示物体的中心点。这个中心点用于回归物体的位置和大小。
边界框的回归：一旦确定了物体的中心点，网络还会预测该中心点到物体的边界的距离。这些距离可以直接用来构造物体的边界框（bounding box）。
具体来说，对于每个中心点，网络会输出该点到边界框四个边界的距离值（即左、右、上、下距离）。
这些距离可以用来计算边界框的大小，从而直接得到物体的完整位置。

3. 关键点检测的优势

不需要 Anchor box：相比于传统的 Anchor-based 方法，关键点检测完全不依赖预定义的 Anchor box，这避免了 Anchor box 尺寸和比例设置的不匹配问题。对于不同大小、形状的物体，关键点检测更加灵活。
减少了计算复杂度：传统 Anchor-based 方法通常需要生成大量的 Anchor boxes，这会带来计算的额外开销。而关键点检测只需要检测图像中的少数几个关键点，大大减少了冗余的候选框数量。
更好的小物体检测：由于关键点检测方法不依赖特定尺寸的框，它在检测非常小的物体时有优势，不需要通过 Anchor box 来匹配大小。

4. 具体例子：CenterNet 如何工作

输入：一张图片。
特征提取：通过卷积神经网络（如 ResNet 或 Hourglass）提取高维特征。
中心点预测：在特征图上，每个像素都会预测是否为物体的中心点，这个任务可以看作是一个分类问题，输出是一个热图（heatmap），每个像素的值表示它是物体中心的概率。
回归边界框：对于每个预测到的中心点，回归出到物体边界的四个距离（即边框的 left、right、top、bottom）。
生成边界框：根据回归的距离值生成最终的边界框。

5. 关键点检测的常见模型

CenterNet：通过检测物体的中心点，并回归边界框的尺寸。
CornerNet：通过检测物体的角点（左上角和右下角），然后将这些角点连接生成边界框。

边界框中心点回归：模型直接预测每个像素点相对于目标物体边界的偏移量和尺寸。这是像 FCOS（Fully Convolutional One-Stage Object Detection）这类方法的核心思想。

FCOS 的工作原理

1. 特征提取

输入图像：首先，FCOS 接收一张输入图像。
特征图生成：通过一个卷积神经网络（CNN），如 ResNet 或 VGG，提取图像的高维特征，并生成一个特征图。

2. 像素级别的回归

每个像素点的预测：FCOS 不依赖预定义的 Anchor boxes，而是对特征图上的每个像素进行回归，预测该像素点到目标边界框的四个边界的距离（即左、右、上、下的距离）。
左边界：每个像素点预测到目标的左边界的距离。
右边界：每个像素点预测到目标的右边界的距离。
上边界：每个像素点预测到目标的上边界的距离。
下边界：每个像素点预测到目标的下边界的距离。
目标中心点：除了预测边界框的四个边界距离外，FCOS 还会预测该像素点是否是目标的中心点。对于每个像素点，FCOS 生成一个热图（heatmap），表示该像素点是否为目标中心点的概率。这个热图帮助模型判断目标的存在位置。

3. 生成边界框

从回归值计算边界框：根据每个像素点预测的距离值，FCOS 可以直接计算目标物体的边界框。具体步骤如下：
左边界：通过预测的距离值从像素点向左推算得到目标的左边界。
右边界：通过预测的距离值从像素点向右推算得到目标的右边界。
上边界：通过预测的距离值从像素点向上推算得到目标的上边界。
下边界：通过预测的距离值从像素点向下推算得到目标的下边界。

4. 后处理

去除背景和重叠：FCOS 生成的边界框通过非极大值抑制（NMS）去除冗余的框，确保最终的检测结果准确且唯一。

FCOS 的优点

不需要 Anchor boxes：FCOS 不依赖于 Anchor boxes，简化了模型的设计和训练过程。无需预定义和调节 Anchor box 的尺寸和比例。
更高效的计算：由于不需要生成大量的 Anchor boxes，FCOS 在计算上更加高效，减少了冗余计算。
处理不同尺度的物体：通过回归每个像素点的边界框，FCOS 更加灵活地处理各种尺寸的物体，适应性强。