【论文阅读】DETR 论文逐段精读

参考跟李沐学AI： 精读DETR

📖DETR 论文精读【论文精读】

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🌐前言

目标检测领域：从目标检测开始火到 detr 都很少有端到端的方法，大部分方法最后至少需要后处理操作（NMS, non-maximum suppression 非极大值抑制）。有了 NMS，模型调参就会很复杂，而且即使训练好了一个模型，部署起来也非常困难（NMS 不是所有硬件都支持）。

📋摘要

贡献：把目标检测做成一个端到端的框架，把之前特别依赖人的先验知识的部分删掉了（NMS 部分、anchor）。

DETR提出：

• 新的目标函数，通过二分图匹配的方式，强制模型输出一组独一无二的预测（没有那么多冗余框，每个物体理想状态下就会生成一个框）
• 使用 encoder-decoder 的架构

两个小贡献：

1. decoder 还有另外一个输入 learned object query，类似 anchor 的意思
   （给定这些object query之后，detr就可以把learned object query和全局图像信息结合一起，通过不同的做注意力操作，从而让模型直接输出最后的一组预测框）
2. 想法&&实效性：并行比串行更合适

DETR 的好处：

1. 简单性：想法上简单，不需要一个特殊的 library，只要硬件支持 transformer 或 CNN，就一定支持 detr
2. 性能：在 coco 数据集上，detr 和一个训练非常好的 faster RCNN 基线网络取得了差不多的效果，模型内存和速度也和 faster RCNN 差不多
3. 想法好，解决了目标检测领域很多痛点，写作好
4. 别的任务：全景分割任务上 detr 效果很好，detr 能够非常简单拓展到其他任务上

📚引言

DETR 流程（训练）：

1. CNN 提特征
2. 特征拉直，送到 encoder-decoder 中，encoder 作用：进一步学习全局信息，为近下来的 decoder，也就是最后出预测框做铺垫。
3. decoder 生成框的输出，当你有了图像特征之后，还会有一个 object query（限定了你要出多少框），通过 query 和特征在 decoder 里进行自注意力操作，得到输出的框（文中是100，无论是什么图片都会预测100个框）
4. loss ：二分图匹配，计算100个预测框和2个 GT 框的 matching loss，决定100个预测框哪两个是独一无二对应到红黄色的 GT 框，匹配的框去算目标检测的 loss

推理：
1、2、3一致，第四步 loss 不需要，直接在最后的输出上用一个阈值卡一个输出的置信度，置信度比较大（>0.7的）保留，置信度小于0.7的当做背景物体。

🧬相关工作

让 DETR 成功主要原因：transformer

🔍方法

分两块：1、基于集合的目标函数怎么做，作者如何通过二分图匹配把预测的框和 GT 框连接在一起，算得目标函数 2、detr 具体模型架构

💡目标函数

DETR模型最后输出是一个固定集合，无论图片是什么，最后都会输出 n 个（本文 n=100）

问题：detr 每次都会出 100 个输出，但是实际上一个图片的 GT 的 bounding box 可能只有几个，如何匹配？如何计算 loss？怎么知道哪个预测框对应 GT 框？
匈牙利算法是解决该问题的一个知名且高效的算法，能够以较低的复杂度得到唯一的最优解。
在 scipy 库中，已经封装好了匈牙利算法，只需要将成本矩阵（cost matrix）输入进去就能够得到最优的排列。在 DETR 的官方代码中，也是调用的这个函数进行匹配（from scipy.optimize import linear_sum_assignment）。
从N个预测框中，选出与M个GT Box最匹配的预测框，也可以转化为二分图匹配问题，这里需要填入矩阵的“成本”，就是每个预测框和GT Box的损失。对于目标检测问题，损失就是分类损失和边框损失组成。

所以整个步骤就是：

• 遍历所有的预测框和 GT Box，计算其 loss。
• 将 loss 构建为 cost matrix，然后用 scipy 的 linear_sum_assignment（匈牙利算法）求出最优解，即找到每个 GT Box 最匹配的那个预测框。
• 计算最优的预测框和 GT Box 的损失。（分类+回归）

但是在 DETR 中，损失函数有两点小改动：

• 去掉分类损失中的 log
• 回归损失为 L1 loss+GIOU

📜模型结构

下面参考官网的一个 demo，以输入尺寸3×800×1066为例进行前向过程：

• CNN 提取特征（[800,1066,3]→[25,34,256]）
  backbone 为 ResNet-50，最后一个 stage 输出特征图为 25×34×2048（32 倍下采样），然后用 1×1 的卷积将通道数降为 256；
• Transformer encoder 计算自注意力（[25,34,256]→[850,256]）
  将上一步的特征拉直为 850×256，并加上同样维度的位置编码（Transformer 本身没有位置信息），然后输入的 Transformer encoder 进行自注意力计算，最终输出维度还是 850×256；
• Transformer decoder 解码，生成预测框
  decoder 输入除了 encoder 部分最终输出的图像特征，还有前面提到的 learned object query，其维度为 100×256。在解码时，learned object query 和全局图像特征不停地做 across attention，最终输出 100×256 的自注意力结果。
  这里的 object query 即相当于之前的 anchor/proposal，是一个硬性条件，告诉模型最后只得到 100 个输出。然后用这 100 个输出接 FFN 得到分类损失和回归损失。
• 使用检测头输出预测框
  检测头就是目标检测中常用的全连接层（FFN），输出 100 个预测框（$h{x}_{center},y_{center},w,h$ ）和对应的类别。
• 使用二分图匹配方式输出最终的预测框，然后计算预测框和真实框的损失，梯度回传，更新网络。

除此之外还有部分细节：

• Transformer-encode/decoder 都有 6层
• 除第一层外，每层 Transformer encoder 里都会先计算 object query 的 self-attention，主要是为了移除冗余框。这些 query 交互之后，大概就知道每个 query 会出哪种框，互相之间不会再重复（见实验）。
• decoder 加了 auxiliary loss，即每层 decoder 输出的 100×256 维的结果，都加了 FFN 得到输出，然后去计算 loss，这样模型收敛更快。（每层 FFN 共享参数）

⚙️代码

import torch
from torch import nn
from torchvision.models import resnet50

class DETR(nn.Module):
    def __init__(self, num_classes, hidden_dim, nheads,
        num_encoder_layers, num_decoder_layers):
        super().__init__()
        # We take only convolutional layers from ResNet-50 model
        self.backbone = nn.Sequential(*list(resnet50(pretrained=True).children())[:-2])
        self.conv = nn.Conv2d(2048, hidden_dim, 1) # 1×1卷积层将2048维特征降到256维
        self.transformer = nn.Transformer(hidden_dim, nheads, num_encoder_layers, num_decoder_layers)
        self.linear_class = nn.Linear(hidden_dim, num_classes + 1) # 类别FFN
        self.linear_bbox = nn.Linear(hidden_dim, 4)                # 回归FFN
        self.query_pos = nn.Parameter(torch.rand(100, hidden_dim)) # object query
        # 下面两个是位置编码
        self.row_embed = nn.Parameter(torch.rand(50, hidden_dim // 2))
        self.col_embed = nn.Parameter(torch.rand(50, hidden_dim // 2))

    def forward(self, inputs):
        x = self.backbone(inputs)
        h = self.conv(x)
        H, W = h.shape[-2:]
        pos = torch.cat([self.col_embed[:W].unsqueeze(0).repeat(H, 1, 1),
       					 self.row_embed[:H].unsqueeze(1).repeat(1, W, 1),
       					 ], dim=-1).flatten(0, 1).unsqueeze(1) # 位置编码
       					 
        h = self.transformer(pos + h.flatten(2).permute(2, 0, 1),self.query_pos.unsqueeze(1))
        return self.linear_class(h), self.linear_bbox(h).sigmoid()


detr = DETR(num_classes=91, hidden_dim=256, nheads=8, num_encoder_layers=6, num_decoder_layers=6)
detr.eval()
inputs = torch.randn(1, 3, 800, 1200)
logits, bboxes = detr(inputs)

📌实验

• 最上面一部分是 Detectron 2 实现的 Faster RCNN ，但是本文中作者使用了很多 trick
• 中间部分是作者使用了 GIoU loss、更强的数据增强策略、更长的训练时间来把上面三个模型重新训练了一次，这样更显公平。重新训练的模型以+表示，参数量等这些是一样的，但是普偏提了两个点
• 下面部分是 DETR 模型，可以看到参数量、GFLOPS 更小，但是推理更慢。模型比 Faster RCNN 精度高一点，主要是大物体检测提升 6 个点 AP，小物体相比降低了 4个点左右。