CornerNet：目标检测算法新思路
996之外所写原创笔记，原投稿 @极视角 。本人工作饱满，价值观A，HRG和leader就不要请喝茶了，请吃饭还是可以的，拒绝点鱿鱼。
目标检测算法概述
CornerNet是密歇根大学Hei Law等人在发表ECCV2018的一篇论文，主要实现目标检测。在开始介绍CornerNet论文之前，先复习一下目标检测领域的主流算法，因为作者提出的算法和主流算法很多不一样。
深度方法主要分为one-stage(e.g. SSD, YOLO)和two-stage(e.g. RCNN系列)两种。single-stage直接在图片上经过计算生成detections。two-stage先提取proposal, 再基于proposal做二次修正。相对来说single-stage速度快, 精度低. 而two-stage精度高, 速度慢。
2012年， 基于深度学习CNN网络的AlexNet在ILSVRC竞赛的ImageNet上大放异彩, 2014年Ross Girshick利用CNN成功取代了HOG、DPM等特征提取， ross等人把目标检测分成了三个步骤，首先是对图像提取detection proposal，其实就是图像中一些可能是检测物体的区域，然后使用cnn对这些proposal进行特征提取，最后用svm对这些提取到的特征进行分类，从而完成检测的任务，这是 Two-stage object detectors鼻祖。
从RCNN、SPPNet到fast RCNN，再到Faster RCNN，目标检测的三个步骤（区域选择，特征提取，分类回归）被统一到一个深度网络框架之内，大大提高了运行速度。FCN，FPN, RoI Align, Mask Branch等技术把Faster R-CNN往前极大的推进。之后又出现了FCN, IoU, NMS,ION,FPN, RoI Align和Mask Branch等技术渊源和YOLO, SSD, AttratioNet, G-CNN, R-FCN, Mask R-CNN， Mask ^X R-CNN等的进化关系！
图 1 Faster RCNN算法框架
one-stage检测算法，其不需要region proposal阶段，直接产生物体的类别概率和位置坐标值，经过单次检测即可直接得到最终的检测结果，因此有着更快的检测速度，比较典型的算法如YOLO，SSD，Retina-Net。YOLO 使用了分治思想，将输入图片分为 SxS 的网格，不同网格用性能优良的分类器去分类。SSD 将 YOLO 和 Anchor 思想融合起来，并创新使用 Feature Pyramid 结构。YOLO, YOLO-v2, YOLO-v3， SSD、DSSD等实时模型的推出， 让目标检测变得更快。
Motivation
CornerNet认为Two-stage目标检测最明显的缺点是 Region Proposal 阶段需要提取的anchor boxes。(1)、提取的anchor boxes数量较多，比如DSSD使用40k， RetinaNet使用100k，anchor boxes众多造成anchor boxes征服样本均衡。(2)、anchor boxes需要调整很多超参数，比如anchor boxes数量、尺寸、比率，影响模型的训练和推断速率。
论文提出one-stage的检测方法，舍弃传统的 anchor boxes思路，提出CornerNet模型预测目标边界框的左上角和右下角一对顶点，既使用单一卷积模型生成热点图和连接矢量：所有目标的左上角和所有目标的右下角热点图，每个顶点的连接矢量(embedding vector)。
图 2 CornerNet框架
作者的思路其实来源于一篇多人姿态估计的论文[1]。基于CNN的2D多人姿态估计方法，通常有2个思路（Bottom-Up Approaches和Top-Down Approaches）：
（1）Top-Down framework，就是先进行行人检测，得到边界框，然后在每一个边界框中检测人体关键点，连接成每个人的姿态，缺点是受人体检测框影响较大，代表算法有RMPE。
（2）Bottom-Up framework，就是先对整个图片进行每个人体关键点部件的检测，再将检测到的人体部位拼接成每个人的姿态，缺点就是可能将，代表方法就是openpose。
论文的第一个创新是讲目标检测上升到方法论，基于多人姿态估计的Bottom-Up思想，首先同时预测定位框的顶点对（左上角和右下角）热点图和embedding vector，根据embedding vector对顶点进行分组。
论文第二个创新是提出了corner pooling用于定位顶点。自然界的大部分目标是没有边界框也不会有矩形的顶点，依top-left corner pooling 为例，对每个channel，分别提取特征图的水平和垂直方向的最大值，然后求和。
图 3 corner pooling计算方式
论文认为corner pooling之所以有效，是因为（1）目标定位框的中心难以确定，和边界框的4条边相关，但是每个顶点只与边界框的两条边相关，所以corner 更容易提取。（2）顶点更有效提供离散的边界空间，实用O(wh)顶点可以表示O(w2h2) anchor boxes。
论文的第三个创新是模型基于hourglass架构，使用focal loss[5]的变体训练神经网络。
论文提出的CornerNet在MS COCO测试验证，达到42.1% AP，完胜所有的one-stage目标检测方法，同时在git公布基于PyTorch源码：
https://github.com/umich-vl/CornerNet
Architecture
Overview
图 4 CornerNet模型架构
如图 4所示，CornerNet模型架构包含三部分，Hourglass[7] Network,Bottom-right corners&Top-left Corners Heatmaps和Prediction Module。
Hourglass Network是人体姿态估计的典型架构，论文堆叠两个Hourglass Network生成Top-left和Bottom-right corners，每一个corners都包括corners Pooling，以及对应的Heatmaps, Embeddings vector和offsets。embedding vector使相同目标的两个顶点（左上角和右下角）距离最短， offsets用于调整生成更加紧密的边界定位框。
Detecting Corners
论文模型生成的heatmaps包含C channels（C是目标的类别，没有background channel），每个channel是二进制掩膜，表示相应类别的顶点位置。
对于每个顶点，只有一个ground-truth，其他位置都是负样本。在训练过程，模型减少负样本，在每个ground-truth顶点设定半径r区域内都是正样本，这是因为落在半径r区域内的顶点依然可以生成有效的边界定位框，论文中设置IoU=0.7。
pcij表示类别为c，坐标是（i,j）的预测热点图，ycij表示相应位置的ground-truth，论文提出变体Focal loss表示检测目标的损失函数：
由于下采样，模型生成的热点图相比输入图像分辨率低。论文提出偏移的损失函数，用于微调corner和ground-truth偏移。
Grouping Corners
输入图像会有多个目标，相应生成多个目标的左上角和右下角顶点。对顶点进行分组，论文引入 Associative Embedding的思想，模型在训练阶段为每个corner预测相应的embedding vector，通过embedding vector使同一目标的顶点对距离最短，既模型可以通过embedding vector为每个顶点分组。
模型训练Lpull损失函数使同一目标的顶点进行分组， Lpush损失函数用于分离不同目标的顶点。
Hourglass Network
Hourglass Network同时包含了bottom-up（from high resolutions to low resolutions)和top-down (from low resolutions to high resolutions)。而且，整个网络有多个bottom-up和top-down过程。这样设计的目的是在各个尺度下抓取信息。针对目标检测任务，论文调整了Hourglass一些策略。
Experiments
论文的训练损失函数包含了第三部分介绍的4个损失函数，α, β 和γ用于调整相应损失函数的权重：
模型训练过程中使用10个Titan X (PASCAL) GPUs，详细的训练参数可参考原论文。模型的推断时间是244ms/ image (Titan X PASCAL GPU)。
CornerNet相比其它one-stage目标检测算法，MS COCO数据集测试AP有明显提高，虽然性能接近于Two-stage检测算法，但是推断时间无明显优势。
Table 4 MS COCO test-dev数据集性能对比
Discussion
个人观点：CornerNet创新来自于多人姿态估计的Bottom-Up思路，预测corner的heatmps,根据Embeddings vector对corner进行分组，其主干网络也来自于姿态估计的Hourglass Network。模型的源码在github已经公布，可以放心大胆的研究测试。
CV的很多任务之间是相通的，CVPR2018 best paper [8]也印证这一观点，在不同的子领域寻找相似性，迁移不同领域的算法，是CV行业一个趋势。
多人姿态估计的Hourglass Network算法也不断改进中，其实论文模型的推断速率受限于Hourglass Network的特征提取，有志青年也可以沿着这个思路取得更好的性能。
以上仅为个人阅读论文后的理解、总结和思考。观点难免偏差，望读者以怀疑批判态度阅读，欢迎交流指正。
参考文献：
- Newell, A., Huang, Z., Deng, J.: Associative embedding: End-to-end learning for joint detection and grouping. In: Advances in Neural Information Processing Systems. pp. 2274{2284 (2017)
- Hei Law, Jia Deng :CornerNet: Detecting Objects as Paired Keypoints.ECCV2018
- Girshick, R.: Fast r-cnn. arXiv preprint arXiv:1504.08083 (2015)
- Girshick, R., Donahue, J., Darrell, T., Malik, J.: Rich feature hierarchies for accurate object detection and semantic segmentation. In: Proceedings of the IEEE conference on computer vision and pattern recognition. pp. 580{587 (2014)
- Lin, T.Y., Goyal, P., Girshick, R., He, K., Doll´ar, P.: Focal loss for dense object detection. arXiv preprint arXiv:1708.02002 (2017)
- Liu, W., Anguelov, D., Erhan, D., Szegedy, C., Reed, S., Fu, C.Y., Berg, A.C.:SSD: Single shot multibox detector. In: European conference on computer vision.pp. 21{37. Springer (2016)
- Newell, A., Yang, K., Deng, J.: Stacked hourglass networks for human pose estimation. In: European Conference on Computer Vision. pp. 483{499. Springer (2016)
- Amir R. Zamir , Alexander Sax Taskonomy: Disentangling Task Transfer Learning.CVPR2018
