Stitcher-小目标检测算法 | Stitcher: Feedback-driven Data Provider for Object Detection

刚出来的小目标检测论文
论文地址：https://arxiv.org/pdf/2004.12432.pdf

Abstract：

目标检测器通常会根据尺寸不同具有不同性能表现，其中小物体的性能最不令人满意。在本文中，我们研究了这种现象，并发现：在大多数训练迭代中，小目标的损失对总损失几乎没有贡献，导致优化不平衡导致性能下降。受此启发，我们提出Stitcher，它是一种反馈驱动的数据提供者，旨在以平衡的方式训练目标检测器。在Stitcher中，将图像调整为较小的分量，然后将其拼接为与常规图像相同的尺寸。拼接图像不可避免的包含较小目标，这对于我们的核心思想将是有益的，以利用损失统计信息作为反馈来指导下一次迭代更新。已经对各种检测器，主干网络，训练周期，数据集甚至实例分割进行了实验。在所有设置中，尤其是对于小型目标，Stitcher稳定地大幅提高了性能，而在训练和测试阶段几乎没有引入任何额外的计算。

Introduction：

小目标检测一直是个难题，论文对问题的原因进行了分析：

1.Image level Analysis

目标检测COCO数据集中，小目标占据了41.4%的比例，远多于中大型目标,这个应该是有利于小目标检测的。然而，数据集中只有52.3%的图片包含小目标。意味着接近一半的图像是不包含小目标的。这种严重的失衡阻碍了模型的训练过程。

如果将常规图像调整为较小的尺寸，则内部的中型或大型目标也将变为较小的目标，但是其轮廓或细节仍然比原始的小型目标更清晰。从图4中可以看出，原图中的小目标和经过resize后的目标尺寸分别为29 x 31和30 x 30，大小基本一致，但是后者图像更清晰。

2.Training Level Analysis

小物体在图像上的分布不均匀，因此使训练遭受进一步的失衡问题。即使某些图像中包含小物体，它们仍然有机会在训练过程中被忽略。图1说明，在超过50％的迭代中，小目标损失占总数的不到10％。训练损失主要是大中型物体。因此，用于小物体的监督信号不足，严重损害了小物体的准确性甚至整体性能。

因此，本文提出了一种Stitcher，一种反馈驱动的数据提供者，它通过以反馈的方式利用训练损失来增强对象检测的性能。在Stitcher中，我们引入的拼接图像大小与常规图像相同。核心思想是利用当前迭代中的损耗统计信息作为反馈，以自适应地确定下一次的输入选择。

具体如下图所示，如果在当前迭代t中小对象rts的损失比可忽略不计，则迭代t +1的输入是拼接图像，其中拼接图像中较小的对象不可避免地会更加丰富。否则，输入将在默认设置下保留常规图像。

Stitcher：

主要包含Image Level Operations与Training Level Module两个阶段：

1.Image Level Operations – Component Stitching

为了解决数据集中小物体监督信号不足的问题，使用Stitching动态地生成拼接图像或常规图像来丰富小目标。具体操作为，给定输入图像resize到统一的尺寸，然后利用参数k个图像进行拼接，并保留了原有图像的宽高比。保持宽高比的原因是可以保留原始对象的属性。当将k设为1时，将自然图像引入到拼接图像中。将k的缝合顺序指定为4，我们可以看到图5（b）中的示例。在图像拼接的帮助下，通过制造更多的小物体，图像批处理（充当最小训练实体）的比例失衡得到缓解。由于拼接图像的大小与常规图像相同，因此不会在网络传播中引入其他计算。

2.Training Level Module – Selection Paradigm

图1中已经分析出在网络的训练过程中，超过50%的迭代小目标损失占比低于0.1。为了避免这种不希望的趋势，论文提出了一种正确的范例，根据当前遍历的反馈确定下一次迭代的输入。如果小目标象的损失在迭代t中可以忽略不计（低于阈值y），则我们认为关于小对象的知识还远远不够。为了弥补信息的不足，我们采用拼接图像作为迭代t + 1的输入。否则，将选择常规图像。

如何计算小目标损失占比呢？论文采用以下公式：

即box的面积定义为h x w，当面积 < 1024时（32 x 32），则该Box的回归损失定义小目标损失（后续的消融实验分析了损失部分的选取），就可算出其比例。

论文将图6中的损失分布比较和图7中的性能差异可视化。每10k次迭代测量一次统计数据，并平滑地进行说明。它表明，使用Stitcher，各种规模的损失分布更加平衡，从而提高了精度。

Time Complexity分析：

上图可以看出，总训练时间而言，用ResNet-50-FPN主干训练基线，更快的RCNN大约需要8.7个小时。如果在相同的GPU上计时，则Stitcher的时间会延长约一刻钟。当应用较大的主干网络时，此间隙会缩小。

In Context of Literature：

1.Multi-scale Image Pyramid：类似于多尺度训练，Stitcher还被设计为针对尺度变化更强大地渲染特征。但是，有两个本质区别：
（1）STITCHER既不需要图像金字塔结构，也不需要调整输入大小。拼接图像仍具有与常规图像相同的大小，从而极大地减轻了图像金字塔中不可避免的计算负担。
（2）STITCHER中的目标尺寸由训练迭代中的损失分布自适应确定。相反，在图像金字塔中，在每次迭代中随机选择不同大小的图像。与多尺度训练相比，这将显着提高性能。

2.SNIP and SNIPER：Stitcher的操作与SNIPER的操作本质上不同。 SNIPER中的截取操作要复杂得多，这就需要计算gt box与crops之间的重叠量（IoU），以便进行标签分配。但是，Stitcher中的操作仅涉及插值和拼接。此外，由于SNIP和SNIPER依赖于多尺度测试。

3.Mixup and Auto Augmentation：Stitcher效果更优