最全技術(shù)剖析 百度視覺團(tuán)隊(duì)“大戰(zhàn)”O(jiān)pen Images V4目標(biāo)檢測數(shù)

原標(biāo)題：最全技術(shù)剖析 百度視覺團(tuán)隊(duì)“大戰(zhàn)”O(jiān)pen Images V4目標(biāo)檢測數(shù)

眼睛是人類接觸外部世界的第一感官，對(duì)于機(jī)器而言，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)就是它們的“眼睛”。近日，百度視覺團(tuán)隊(duì)在全球最大規(guī)模目標(biāo)檢測競賽Google AI Open Images-Object Detection Track中再獲佳績，從全球450多支參賽隊(duì)伍中脫穎而出，獲得世界第一，并受邀在世界頂級(jí)視覺學(xué)術(shù)會(huì)議ECCV2018上進(jìn)行分享。

百度視覺團(tuán)隊(duì)可謂是國際賽事上的“常勝軍”。2018年，百度視覺團(tuán)隊(duì)先后獲得了人臉WilderFace權(quán)威數(shù)據(jù)集世界第一、OCR ICDAR權(quán)威數(shù)據(jù)集世界第一、視頻理解權(quán)威競賽ActivityNet兩項(xiàng)世界第一、圖像識(shí)別權(quán)威競賽WebVision世界第一。如今再次獲獎(jiǎng)，又一次展示了百度視覺團(tuán)隊(duì)國際領(lǐng)先的平臺(tái)和技術(shù)優(yōu)勢。

Google AI Open Images-Object Detection Track是大規(guī)模目標(biāo)檢測任務(wù)的權(quán)威挑戰(zhàn)賽事，由Google AI Research舉辦，賽事遵循 PASCAL VOC、ImageNet和COCO等賽事傳統(tǒng)，但數(shù)據(jù)規(guī)模遠(yuǎn)大于這些賽事。

在9月8日召開的世界頂級(jí)視覺學(xué)術(shù)會(huì)議ECCV2018上，百度視覺團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)邀分享了技術(shù)細(xì)節(jié)，從比賽挑戰(zhàn)和解決方案等不同方面做出深度剖析，與全球計(jì)算機(jī)視覺研究者進(jìn)一步交流。

Open Images V4數(shù)據(jù)集

據(jù)介紹，大賽采用Google今年5月份發(fā)布的Open Images V4數(shù)據(jù)集作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，包含超過170萬的圖片數(shù)據(jù)，500個(gè)類別以及超過1200萬物體框，數(shù)據(jù)沒有完全精細(xì)標(biāo)注，屬于弱監(jiān)督任務(wù)，框選類別數(shù)目不均衡且有非常廣泛的類別分布，這更符合實(shí)際情況，也意味著參加競賽的團(tuán)隊(duì)需要考慮到類別的分布，而不能統(tǒng)一對(duì)所有類別做處理，因此更具挑戰(zhàn)性。這項(xiàng)賽事有助于復(fù)雜模型的研究，同時(shí)對(duì)評(píng)估不同檢測模型的性能有積極的促進(jìn)作用。下圖為Open Image V4 與 MS COCO 和 ImageNet 檢測任務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)比情況。

Open Image V4 與 MSCOCO及ImageNet 檢測數(shù)據(jù)對(duì)比情況

與傳統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)集合相比，該賽事除了數(shù)據(jù)規(guī)模大、更真實(shí)之外，還存在一系列的挑戰(zhàn)。具體來說，主要集中在以下三個(gè)方面：

·數(shù)據(jù)分布不均衡：最少的類別框選只有14個(gè)，而最多的類別框選超過了140w，數(shù)據(jù)分布嚴(yán)重不均衡。

類別框數(shù)量分布

·漏標(biāo)框：很多圖片存在只標(biāo)注主體類別，其他小物體或者非目標(biāo)物體沒有標(biāo)注出來。

漏標(biāo)注圖片舉例

·尺度變化大：大部分物體框只占整個(gè)圖片的0.1以下，而有些框選卻占了整個(gè)圖片區(qū)域。如圖所示，Open Image V4集合存在更多的小物體，參賽者也會(huì)在檢測數(shù)據(jù)中遇到更大的挑戰(zhàn)。

框尺度大小分布對(duì)比

解決方案

在比賽過程中百度視覺團(tuán)隊(duì)采用了不同復(fù)雜度、不同骨架網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模型的訓(xùn)練，并對(duì)這些模型進(jìn)行融合。從整體方案框架來看，可分為Fast R-CNN和Faster R-CNN兩種不同的訓(xùn)練模式。Fast R-CNN版本是百度視覺團(tuán)隊(duì)研發(fā)的一套PaddlePaddle版本，在此基礎(chǔ)上Faster R-CNN加入了 FPN、Deformable、Cascade等最新的檢測算法，模型性能實(shí)現(xiàn)了大幅度的提升。

整體方案框架流程圖

·骨架網(wǎng)絡(luò)為ResNet-101 的Fast R-CNN，模型收斂后可以達(dá)到0.481，在測試階段加入Soft NMS以及 Multi-Scale Testing策略，可以達(dá)到0.508。百度也嘗試了其他骨架網(wǎng)絡(luò)（dpn98,Inception-v4,Se-ResNext101）,并把不同骨架網(wǎng)絡(luò)的檢測算法融合到一起，最終mAP可以達(dá)到0.546。在Proposal采樣階段，百度在不同位置進(jìn)行不同尺度的候選框生成，然后對(duì)這些框選進(jìn)行分類以及調(diào)整他們的位置。

·Faster R-CNN: 采用這種框架可以達(dá)到略高于Fast R-CNN的效果，mAP為0.495。在測試階段使用Soft NMS以及 Multi-Scale Testing策略后，性能達(dá)到0.525。

·Deformable Convolutional Networks使用Soft NMS以及 Multi-Scale Testing策略前后，性能分別達(dá)到0.528及0.559。

·Deformable Cascade R-CNN : 使用Soft NMS以及 Multi-Scale Testing策略前后，性能分別可以達(dá)到0.581和0.590.

簡言之，在Fast R-CNN框架下，百度視覺團(tuán)隊(duì)采用了不同的骨架網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，而在Faster R-CNN框架下只使用了ResNet101這種骨架網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。在訓(xùn)練過程中，百度視覺團(tuán)隊(duì)還通過不同的策略有效解決了各種技術(shù)問題。詳情如下：

動(dòng)態(tài)采樣

Google Open Images V4 數(shù)據(jù)集大概有170w圖片，1220w框選，500個(gè)類別信息。最大的類別框選超過了140w,最小的類別只有14個(gè)框選，如果簡單使用所有的圖片及框選，需要幾十天才能進(jìn)行模型訓(xùn)練，而且很難訓(xùn)練出來一個(gè)無偏的模型。因此，需要在訓(xùn)練過程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)采樣，如果樣本數(shù)量多則減少采樣概率，而樣本數(shù)量少則增加采樣概率。據(jù)介紹，百度視覺團(tuán)隊(duì)分別進(jìn)行全集數(shù)據(jù)訓(xùn)練、固定框選子集訓(xùn)練、動(dòng)態(tài)采樣模型訓(xùn)練三種策略進(jìn)行。

·全集數(shù)據(jù)訓(xùn)練：按照主辦方提供數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，mAP達(dá)到0.50。

·固定框選子集訓(xùn)練：線下固定對(duì)每個(gè)類別最多選擇1000個(gè)框，mAP達(dá)到0.53。

·動(dòng)態(tài)采樣模型訓(xùn)練：對(duì)每個(gè)GPU、每個(gè)Epoch采用線上動(dòng)態(tài)采樣，每次采集的數(shù)據(jù)都不同，輪數(shù)達(dá)到一定數(shù)目后，整個(gè)全集的數(shù)據(jù)都能參與整體訓(xùn)練。最后mAp達(dá)到0.56。

動(dòng)態(tài)采樣策略

FPN

基于訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的分析，百度視覺團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)其中500個(gè)類別的尺度有很大的差異。因此他們將FPN引入到檢測模型中，即利用多尺度多層次金字塔結(jié)構(gòu)構(gòu)建特征金字塔網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)驗(yàn)中，百度視覺團(tuán)隊(duì)以ResNet101作為骨干網(wǎng)絡(luò)，在不同階段的最后一層添加了自頂向下的側(cè)連接。自頂向下的過程是向上采樣進(jìn)行的，水平連接是將上采樣的結(jié)果與自底向上生成的相同大小的feature map合并。融合后，對(duì)每個(gè)融合結(jié)果進(jìn)行3*3卷積以消除上采樣的混疊效應(yīng)。值得注意的是，F(xiàn)PN應(yīng)該嵌入到RPN網(wǎng)絡(luò)中，以生成不同的尺度特征并整合為RPN網(wǎng)絡(luò)的輸入。最終，引入FPN后的mAP可達(dá)到0.528。

Deformable Convolution Networks

百度視覺團(tuán)隊(duì)采用可變形卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)了CNNs的建模能力?？勺冃尉矸e網(wǎng)絡(luò)的思想是在不需要額外監(jiān)督的情況下，通過對(duì)目標(biāo)任務(wù)的學(xué)習(xí)，在空間采樣點(diǎn)上增加額外的偏移量模塊。同時(shí)將可變形卷積網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于以ResNet101作為骨架網(wǎng)絡(luò)的Faster R-CNN架構(gòu)，并在ResNet101的res5a、5b、5c層之后應(yīng)用可變形卷積層，并將ROI Pooling層改進(jìn)為可變形位置敏感ROI Pooling層?？勺冃尉矸e網(wǎng)絡(luò)的mAP性能為0.552。

Cascade R-CNN

比賽中，百度視覺團(tuán)隊(duì)使用級(jí)聯(lián)的R-CNN來訓(xùn)練檢測模型。除訓(xùn)練基本模型外，還使用包含五個(gè)尺度特征金字塔網(wǎng)絡(luò)(FPN)和3個(gè)尺度anchors的RPN網(wǎng)絡(luò)。此外，他們還訓(xùn)練了一個(gè)針對(duì)全類模型中表現(xiàn)最差的150類的小類模型，并對(duì)這150類的模型分別進(jìn)行評(píng)估。得出的結(jié)論是，500類模型的MAP為0.477，而用150類單模型訓(xùn)練結(jié)果替換500類的后150類的結(jié)果，則模型的MAP提升為0.498。使用以上方法進(jìn)行訓(xùn)練的單尺度模型的性能為0.573。

Testing Tricks

在后處理階段，百度視覺團(tuán)隊(duì)使用了Soft NMS和多尺度測試的方法。用Soft NMS的方法代替NMS后，在不同模型上有0.5-1.3點(diǎn)的改進(jìn)，而Multi-Scale Testing在不同模型上則有0.6-2個(gè)點(diǎn)的提升。

模型融合

對(duì)于每個(gè)模型，百度視覺團(tuán)隊(duì)在NMS后預(yù)測邊界框。來自不同模型的預(yù)測框則使用一個(gè)改進(jìn)版的NMS進(jìn)行合并，具體如下：

·給每個(gè)模型一個(gè)0～1之間的標(biāo)量權(quán)重。所有的權(quán)重總和為1；

·從每個(gè)模型得到邊界框的置信分?jǐn)?shù)乘以它對(duì)應(yīng)的權(quán)重；

·合并從所有模型得到的預(yù)測框并使用NMS，除此之外百度采用不同模型的分?jǐn)?shù)疊加的方式代替只保留最高分模型，在這個(gè)步驟中IOU閾值為0.5。

其實(shí)，不論是在學(xué)術(shù)圈還是工業(yè)界，大規(guī)模目標(biāo)檢測都是計(jì)算機(jī)視覺極為重要的基礎(chǔ)技術(shù)。通過這一技術(shù)，軟硬件應(yīng)用產(chǎn)品可以深度定位圖片中的物體位置以及類別，并用于新零售、通用多物品識(shí)別等場景。百度視覺團(tuán)隊(duì)從2013年起開始構(gòu)建超大規(guī)模的圖像分類系統(tǒng)，其中大部分訓(xùn)練數(shù)據(jù)均通過互聯(lián)網(wǎng)搜索引擎獲取，目前已構(gòu)建起包含10萬類Tag（標(biāo)簽）、近億圖片的訓(xùn)練系統(tǒng)。相關(guān)技術(shù)研發(fā)成果已成功應(yīng)用于百度拍照搜索、Feed流、智能相冊、百度AR等多項(xiàng)核心產(chǎn)品中，并通過智能云開放廣泛應(yīng)用于零售、視頻媒體、金融、醫(yī)療、交通運(yùn)輸和營銷等眾多領(lǐng)域。

視覺是百度大腦的核心能力之一。百度視覺團(tuán)隊(duì)在計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域曾首創(chuàng)了Pyramidbox、Ubiquitous Reweighting Network、Action Proposal Network、StNet和 Attention Clusters等算法，在識(shí)別人、識(shí)別物、捕捉關(guān)系三個(gè)技術(shù)領(lǐng)域均具備了業(yè)界最領(lǐng)先的技術(shù)積累。此外，百度還自主研發(fā)了兩款智能視覺AI硬件底層模組，包括紅外3D結(jié)構(gòu)光模組BoteyeR及視覺智能AI相機(jī)模組Xeye，集成了包括人臉識(shí)別、物體識(shí)別、手勢識(shí)別等在內(nèi)的百度視覺技術(shù)，可用于新零售、安防、智能家居等場景。

百度視覺團(tuán)隊(duì)的技術(shù)不僅用于內(nèi)部產(chǎn)品，也通過百度AI開放平臺(tái)持續(xù)對(duì)外輸出，目前已對(duì)外開放了包括人臉識(shí)別、文字識(shí)別（OCR）、圖像審核、圖像識(shí)別、圖像搜索等在內(nèi)的5大類別58項(xiàng)基礎(chǔ)能力，為開發(fā)者和合作伙伴提供全棧式計(jì)算機(jī)視覺能力，讓他們將領(lǐng)先的AI能力轉(zhuǎn)換成讓復(fù)雜的世界更簡單的神奇力量，進(jìn)而推動(dòng)全行業(yè)、全社會(huì)的智能化變革。

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