Anchor DETR：Transformer-Based目标检测的Query设计

写在前面

文中指出之前DETR-like算法存在以下问题：

之前DETR-liked检测算法里，object query是一组可学习的嵌入表示（就是一组256-d的向量），缺乏明确的物理意义，不能解释它们会关注什么地方。
每个object query 预测的位置没有一个特定的模式（specific mode），即每个object query不会关注特定的区域。

PS：第二点所谓“预测位置没有一个特定模式”这个结论是怎么得出来的呢？作者援引了DETR论文中的一幅图像（如上图所示）进行说明。该图像中每个子图上都有很多点，每个子图代表了一个object query在验证集所有图像上得到的预测框的中心点坐标（经过归一化后的），绿色代表小的预测框，红色代表水平方向比较大的预测框，蓝色代表垂直方向比较大的预测框。通过上图可知，即使同一个object query，在不同图像上得到的预测框其位置和大小都是不固定的，所以说没有特定模式，而这使得object query难以优化。

为解决上述问题：

本文基于anchor point（在CNN-based检测算法中被广泛使用）设计object query，每个object query关注anchor point附近的目标；
本文object query的设计可以预测一个位置的多个目标；
设计了一种注意力变体，减少显存占用。

论文的贡献或方法都可以转化成相应的问题，然后从文中逐一寻找答案，寻找答案的过程也是理解论文的过程，现在我们可以提出以下问题：

anchor point怎么来的？
如何基于anchor point设计object query？
为什么本文object query的设计可以预测一个位置的多个目标？
注意力变体是怎么样的，为什么可以减少显存占用？

在阅读论文时带着问题，有目的的阅读，边阅读边思考，通常效果会好很多，也更容易理解作者想表达的意思。

接下来让我们从文中method部分寻找问题的答案。

一、Method

1. Anchor Points

Q1：anchor point怎么来的？

A1：如上图所示，文中采用两种方式获得anchor point。一种是网格均匀采样，anchor point被固定为图像中均匀的网格点；为另一种是可学习的点，这些点根据满足0~1均匀分布随机初始化并作为可学习参数进行更新，其中可学习点初始化的相关代码如下：

# --snap--
if self.spatial_prior == "learned":
    self.position = nn.Embedding(self.num_position, 2)

# --snap--
if self.spatial_prior == "learned":
    nn.init.uniform_(self.position.weight.data, 0, 1)

有了anchor point，就可以把回归头的输出当作对于anchor point的偏移量（参考了Deformable DETR的做法），将预测框中心点坐标 $(\widehat{cx},\widehat{cy})$ 加到对应的anchor point上。

对Deformable DETR不了解的朋友可以查看我的博客：Deformable DETR：结合多尺度特征、可变形卷积机制的DETR

作者通过对比实验（如下图所示），采用了可学习anchor point的策略（但综合看起来两者好像差别不显著= = 、）。

2. Attention Formulation

在回答第二个问题之前，我们首先需要了解一下论文中的一些符号表示。论文在该部分讲解了DETR-like检测算法中的注意力机制的建模方式（比较容易理解，不过多赘述），其中涉及的一些符号表示对我们理解文章的后续内容是有帮助的。

注意力机制建模方式如下：

$Attention(Q,K,V)=softmax(\frac{QK^{T}}{\sqrt{d_{k}}})V$

$Q=Q_{f}+Q_{p},K=K_{f}+K_{p},V=V_{f}$

其中 $d_{k}$ 表示维度， $f$ 表示内容信息， $p$ 表示位置信息。

decoder中包含自注意力和交叉注意力。

自注意力中， $K_{f}$ 、 $V_{f}$ 和 $Q_{f}$ 是相同的， $K_{p}$ 和 $Q_{p}$ 是相同的， $Q_{f}\in \mathbb{R}^{N_{q}\times C}$ 表示decoder前一层的输出，对于decoder第一层而言 $Q^{init}_{f}\in \mathbb{R}^{N_{q}\times C}$ 可以设置为常数向量，也可以设置为可学习的嵌入表示。query位置部分 $Q_{p}\in \mathbb{R}^{N_{q}\times C}$ 在DETR中通常用一组可学习的嵌入向量表示，其中 $N_{q}$ 表示query的数量：

$Q_{p}=Embedding(N_{q},C)$

交叉注意力的讲解略过，不难理解。

接下来我们可以继续寻找下一个问题的答案。

3. Anchor Points to Object Query

Q2：如何基于anchor point设计object query？

A2：anchor point可表示为 $Pos_{q}\in \mathbb{R}^{N_{A}\times 2}$ ，其中 $N_{A}$ 表示点的个数。根据anchor point获得object query只需要确定一种编码方式即可，即 $Q_{p}=Encode(Pos_{q})$ 。一种很自然的想法就是继续使用位置编码函数进行编码，但作者采用了一个额外的MLP网络对位置编码结果进行微调。

PS：为什么要额外添加一个MLP微调位置编码结果？文中没有进行相应的消融实验，原因未知。

4. Multiple Predictions for Each Anchor Point

Q3：既然作者的想法是说，通过anchor point得到object query，使得每个object query能够关注某个特定的区域。那如果一个位置有多个目标，但这个位置只有一个object query关注这里，即只会有一个预测框，那怎么办？

A3：简单来说，就是让这个地方可以有多个预测框。作者重新回顾了decoder第一层query的内容部分 $Q^{init}_{f}\in \mathbb{R}^{N_{q}\times C}$ ，每个object query只有一种模式（pattern），即 $Q^{i}_{f}\in \mathbb{R}^{1\times C}$ 。为了使得一个anchor point可以预测多个目标，作者将多模式嵌入（multiple pattern embedding）整合到了每个object query中，以适应一个位置存在多个目标的情况。其中多模式嵌入表示为：

$Q^{i}_{j}=Embedding(N_{p},C)$

其中 $N_{p}$ 表示模式的数量（文中 $N_{p}=3$ ）。

PS：如何理解pattern呢？我个人理解这里的pattern主要指的是预测框的位置和大小。通过增加pattern的数量，可以增加在某个位置预测框的数量，进而实现一个位置多个目标的检测。但具体如何将多个pattern整合到一个object query中，文中没有明确说明，我结合代码看了以下，简单来说就是把pattern embeddings和object query通过reshape和repeat统一到相同维度，再进行相加，相关代码如下：

# ---transformer的init方法---
# 初始化模式嵌入，(3,256)
self.pattern = nn.Embedding(self.num_pattern, d_model)
# 初始化anchor point，(300, 2)
if self.spatial_prior == "learned":
    self.position = nn.Embedding(self.num_position, 2)

# ---transformer的forward方法---
# 调整维度(300, 2)-repeat->(bs, 3*300, 2)
if self.spatial_prior == "learned":
    reference_points = self.position.weight.unsqueeze(0).repeat(bs, self.num_pattern, 1)
# 为每个object query分配3个模式嵌入
# (3, 256)-reshape->(1, 3, 1, 256)-repeat->(bs, 3, 300, 256)-reshape->(bs, 3*300, 256)
tgt = self.pattern.weight.reshape(1, self.num_pattern, 1, c).repeat(bs, 1, self.num_position, 1).reshape(
            bs, self.num_pattern * self.num_position, c)

# ---decoder layer的forward方法---
# 对anchor point进行位置编码并使用MLP微调，(bs, 3*300, 2)-positional embed->(bs, 3*300, 256)
query_pos = adapt_pos2d(pos2posemb2d(reference_points))
# 将pattern embeddings和positional embeddings相加
q = k = self.with_pos_embed(tgt, query_pos)

文中还提到，由于平移不变性，所有object query都共享这些模式（个人理解写在下面）。因此进一步可以得到 $Q^{init}_{f}\in \mathbb{R}^{N_{p}N_{A}\times C}$ 和 $Q_{p}\in \mathbb{R}^{N_{p}N_{A}\times C}$ ，即object query的数量 $N_{q}=N_{p} \times N_{A}$ 。