2023 Mask R-CNN 改进：DynaMask: Dynamic Mask Selection for Instance Segmentation 论文笔记

  本周更新的第二篇论文阅读，2023年每周一篇博文，还剩5篇未补，继续加油~

• 论文地址：DynaMask: Dynamic Mask Selection for Instance Segmentation
• 代码地址：https://github.com/lslrh/DynaMask
• 收录于：CVPR 2023
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一、Abstract

  一般的实例分割通常采用固定分辨率大小的 mask，例如 $28\times 28$ 的网格来划分不同的目标。然而，低分辨率的 mask 经常会丢失丰富的细节信息，而高分辨率的 mask 会使得计算量成平方增长。本文针对不同的目标 proposal 提出一种动态选择合适尺寸的 mask 方法。首先：一个自适应特征聚合的双端 FPN 用来逐渐地增加 mask 网格分辨率。具体来说，一个区域级别的自上而下路径被引入来整合不同阶段的图像 FPN 层的上下文和细节信息。之后提出一种 Mask Switch Module(MSM) 从每个实例中选择选择最合适的 mask 分辨率。提出的 DynaMask 效果很好。

二、引言

  实例分割 Instance segmentation (IS) 的目的，进展。目前的方法大致分为双阶段的和单阶段的。双阶段精度高但是成本也高。
  聊一下双阶段的方法，即先检测后分割。先对于所有的 proposal，例如 $28\times 28$ 来预测一个统一分辨率的二值网格 mask，然而上采样到原始尺寸。接下来举出 Mask R-CNN 的例子，指出缺点：低分辨率的 mask 很难捕捉细节的信息，导致预测结果不满意，特别是对于过大的目标边界，而大的 mask 会使得计算量成本上升。

  如上图所示，难样本 “人” 需要更细粒度的 mask 来预测。而像简单的、规则的、少信息的目标，例如 “frisbee” 则只需粗糙的 mask 就能预测。于是提出一种针对每个实例来自适应地调整 mask 分辨率的策略。具体来说，分配给难样本以高分辨率的 mask，而对简单的样本赋予低分辨的 mask。于是对于简单样本的计算量可以减少，而对难样本的精度可以提高。但不能直接通过 Mask R-CNN 来预测高分辨率的 mask，这会降低 mask AP。原因：从高层金字塔层提取的大尺寸目标的 RoI 特征，由于下采样使得 mask 特别粗糙，因此简单地增加 RoI 的 mask 尺寸不会带来有用的信息；其次 Mask R-CNN 的 mask 头过于简单，因此随着网格尺寸的增加很难做出精确的预测。
  于是提出一种双层 FPN 框架来逐渐地扩大 mask 网格。具体来说，在图像水平的 FPN 层（i-FPN）之外增加一个区域水平的 FPN（r-FPN），其中构建一个从 i-FPN 到 r-FPN 不同金字塔层的信息流动。在这一双水平的 FPN 中，提出一种数据独立的 Switch Module (MSM) 来自适应地选择每个实例的mask。提出的网络模型名为 DynaMask，在主流数据集上评估效果很好。

  主要贡献如下：

• 提出 DynaMask 来自适应地赋值给不同的实例以合适的 mask：赋值低分辨率给简单样本，而赋值高分辨率给难样本；
• 提出一种双端 FPN 框架用于 IS，构建从 i-FPN 到 r-FPN 多层的信息流动，用于促进信息互补和聚合；
• 实验结果表明 DynaMask 性能和效率很好。

三、相关工作

实例分割

  目前大多数方法沿着 Mask R-CNN 的套路，接下来对 Mask Scoring R-CNN、BMask RCNN、DCT-Mask、PANet 进行简单介绍。一些工作提出通过粗糙-细腻化的精炼来提升 mask 的质量，例如 HTC、PointRend、RefineMask，缺点是增加推理时间和内存负担。本文提出动态地为每个实例选择合适的 mask，使得简单样本被赋值小的 mask（更少的精炼阶段），更难的样本被赋值大的 mask（更多的精炼阶段）。

动态网络

  动态网络方法要么扔掉一些 blocks 或者修剪通道数，例如 SkipNet、DRNet 等。而在不同的分辨率采用动态 mask 来分割不同的实例还未被探索过。传统方法先预测一个固定尺寸的 mask，这一措施对简单样本很管用，但过于简化难样本的细粒度水平细节。根据分割难易，本文设计一种动态 mask 选择框架来自适应地给不同的目标分配合适尺寸的 mask。

四、动态 Mask 选择

4.1 双层 FPN

  原始图像层 FPN (i-FPN) 引入自上而下的路径，将高层的上下文的语义信息投影到低层中。本文提出一个区域水平的 r-FPN，将 i-FPN 中的低层整合更多的信息到区域特征层级上。从 i-FPN 到 r-FPN 的信息流动上图所示。

区域水平的 FPN

  依据原始的 i-FPN { P 2 , P 3 , P 4 , P 5 } \{P_2,P_3,P_4,P_5\} {P2​,P3​,P4​,P5​} 来定义层的概念，从而产生对应于原始特征图相同分辨率的层。r-FPN 起始于 RoI-Aligned 的区域特征，通过逐渐地融合 { P 2 , P 3 , P 4 } \{P_2,P_3,P_4\} {P2​,P3​,P4​} 的互补信息来增强，得到一组自上而下的基于区域的特征层次，表示为 { L t i n y , L s m a l l , L m e d i u m , L l a r g e } \{L_{tiny},L_{small},L_{medium},L_{large}\} {Ltiny​,Lsmall​,Lmedium​,Llarge​}。从 $L_{tiny}$ 到 $L_{large}$，空间分辨率通过逐步地扩大两个尺寸因子来增加。本文设计一个特征聚合模块 Feature Aggregation Module (FAM) 来整合 r-FPN 的特征 $L_r$ 和 i-FPN 特征 $P_i$。

特征聚合模块 FAM

  由于上采样和 RoI 池化操作，使得现有的 $L_r$ 和 $P_i$ 之间存在空间误对齐，这会降低对于边界区域的分割性能。本文提出 FAM 来自适应地聚合多尺度的特征，如下图所示：

  FAM 包含两个不同的可变形卷积：第一个 $DeformConv1$ 动态调整 $L_r$ 的位置，使其能更好地对齐 $P_i$。之后拼接 $L_r$ 和 $P_i$，然后通过一个 $3\times 3$ 卷积得到 offset 图，记为 ${\Delta }_o$。最后，利用 ${\Delta }_o$ 将 $L_r$ 对齐到 $P_i$，第二个 $DeformConv2$ 类似一个注意力机制，能够关注目标上的显著部分。提出的 FAM 可以插入到不同的 r-FPN 阶段上从而提升 mask 的预测。

4.2 Mask Switch Module (MSM)

  不同的实例需要不同的 mask 网格来实现准确的分割，遂提出一种自适应地根据不同实例来调整 mask 网格的分辨率。确切来说，一个 MSM 用来在预算计算的假设下执行 mask 分辨率预测，从而在性能和分割准确度之间权衡。

最优的 Mask 赋值

  MSM 实际上是一个轻量化的分类器，记为 $f_{\text{M}SM}(\cdot )$，如下图所示：

  MSM 包含一个逐通道注意力模块，后面跟着一些卷积层和全连接层。分类器旨在从一堆 $K$ 个候选，如 $[r^1,r^1,\cdots ,r^k]$ 中找到最优的 mask 分辨率。具体来说，MSM 将裁剪后的逐区域 RoI 特征作为输入，通过 softmax 输出一组概率向量 $P=[p^1,p^1,\cdots ,p^k]$。向量中每个元素表示相应的被选择到的候选分辨率概率：
p k = exp ⁡ ( f M S M k ( x ) ) ∑ k ′ exp ⁡ ( f M S M k ( x ) ) , k ∈ { 1 , ⋯   , K } p^k=\dfrac{\exp(f_{MSM}^k(x))}{\sum_{k'}\exp(f_{MSM}^k(x))},\quad k\in\{1,\cdots,K\} pk=∑k′​exp(fMSMk​(x))exp(fMSMk​(x))​,k∈{1,⋯,K}
其中 $x$ 为输入到 MSM 的 RoI 特征，最大的候选分辨率概率从中选出作为 switching state，从而决定目标的分割 mask 分辨率。

采用 Gumbel-Softmax 的重参数化

  将 MSM 的软输出 $P$ 转化为独热预测 $Y=[y^1,y^1,\cdots ,y^k]$， y k ∈ { 0 , 1 } y^k\in\{0,1\} yk∈{0,1}，这一过程可以用分离采样来表示，然而不能微分，因此不支持端到端训练。
  为了使得 MSM 的梯度得以更新，引入一种重参数化方法，Gumbel-Softmax。给定一个类别分布概率 $P=[p^1,p^1,\cdots ,p^k]$，通过规则：$$y=\text{one\_hot}\left(argma{x}_k\left(log{p}^k+g^k\right)\right)$$
其中 { g k } i = k K \{g^k\}^K_{i=k} {gk}i=kK​ 为 $Gumbel(0;1)$ 分布的样本，定义为：
$$g=-log\left(-log\left(u\right)\right),u\sim Uniform\left(0,1\right)$$
之后采用 Gumbel-Softmax 函数作为一个连续的、可微分的原始 $\text{softmax}$ 函数的近似：
$$y^k=\frac{\exp \left((log{p}^k+g^k)/\tau \right)}{{\sum }_{k^{\prime }}\exp \left((log{p}^{k^{\prime }}+g^{k^{\prime }})/\tau \right)}$$其中 $\tau$ 表示温度参数，当 $\tau$ 接近 $0$ 时，Gumbel-softmax 接近于独热状态。

4.3 目标函数

Mask 损失

  给定正的样本实例 $x_i$，首先通过 MSM 来预测 mask 的 switching state：$Y=[y^1,y^2,\cdots ,y^k]$，并将其穿过 r-FPN 的不同阶段来获得 $K$ 个不同分辨率 { m ^ i 1 , ⋯   , m ^ i K } \{\hat{m}_i^1,\cdots,\hat{m}_i^K\} {m^i1​,⋯,m^iK​} 下的 mask 预测图，定义损失函数如下：
$${\mathcal{L}}_{mask}=\sum _{i=1}^N\sum _{k=1}^K{y}^k\ell ({\hat{m}}_i^k,m_i)$$其中 ${\hat{m}}_i^K$ 表示 $x_i$ 的第 $k$ 个 mask 预测，$m_i$ 表示相应的 GT mask 网格。$y^k$ 为是否第 $k$ 个 mask 分辨率被选择作为输出分辨率的索引。$l$ 为 cross-entropy 损失。

边缘损失

   Mask 损失中，假设 mask 产生非常小的损失应该有着很高的质量。因此通过最小化 mask 损失可以得到准确的 mask，然而实验结果表明 mask 损失在不同的 mask 上非常接近，很难区分 mask 质量。相比之下，由不同分辨率产生的 mask 在边缘损失上变化巨大，这能很好的揭示 mask 质量。

对于 MSM 的输出 $Y=[y^1,y^2,\cdots ,y^k]$ 及不同分辨率的边缘图 { e ^ i 1 , ⋯   , e ^ i K } \{\hat{e}_i^1,\cdots,\hat{e}_i^K\} {e^i1​,⋯,e^iK​}，边缘损失定义如下：
$${\mathcal{L}}_{edge}=\sum _{i=1}^N\sum _{k=1}^K{y}^k\ell ({\hat{e}}_i^k,e_i)$$其中 $e_i$ 为 GT 边缘。
  首先应用拉普拉斯算子在 GT mask 上获得一个软边缘图 $m_i$，然后通过阈值将其转化为二值化边缘图。上图所示的边缘损失能够更好地揭示 mask 质量，即高分辨率的 mask 参数更接近于 GT 的边缘（小损失），而低分辨率的 mask 与 GT 有着更大的差异（大损失）。

预算限制

   通过优化边缘损失，模型倾向于收敛到次优的结果：所有的实例都采用最大的 mask 来分割，即 $112\times 112$，这整合了更多的细节信息且拥有最小的预测损失。而实际上，并不是所有的样本都需要最大的 mask，对于简单样本能够节省冗余的计算量。为了降本增效，提出带有预算限制的 MSM。令 $\mathcal{C}$ 表示对应于选择的 mask 分辨率损失，当前 batch 数据所产生的期望 FLOPs 记为 $\mathbb{E}(\mathcal{C})$，而超出目标 FLOPs 的部分记为 ${\mathcal{C}}_t$，预算限制定义为：
$${\mathcal{L}}_{budget}=\max (\frac{\mathbb{E}(\mathcal{C})}{{\mathcal{C}}_t}-1,0)$$
  进一步引入信息 entropy 损失来平衡 MSM 的分辨率预测。给定一组输出概率向量 $P_1,P_2,\cdots ,P_N$，其中 $N$ 为当前 batch 内的实例数量，第 $k$ 个分辨率的频率计算为：$f^k=\frac{1}{N}{\sum }_i{p}_i^k$。

  信息 entropy 损失定义如下：
$${\mathcal{L}}_{entropy}=\frac{1}{K}\sum _k{f}^{k}log{f}^k$$上面的 entropy 损失将每个元素 $f^k$ 推向 $\frac{1}{K}$，以使 MSM 能够从相似概率中选择不同的分辨率。

  最后，mask 分支的总体目标函数：
$${\mathcal{L}}_{total}={\mathcal{L}}_{mask}+{\lambda }_1{\mathcal{L}}_{edge}+{\lambda }_2{\mathcal{L}}_{reg}$$其中 ${\lambda }_1$、${\lambda }_2$ 为平衡超参数，${\mathcal{L}}_{reg}$ 表示结合了预算限制的正则项，即 ${\mathcal{L}}_{reg}={\mathcal{L}}_{budge}+{\mathcal{L}}_{entropy}$。

五、实验

  数据集：COCO、Cityscapes，评估指标：标准的 mask AP。

5.1 实施细节

  Backbone：Mask R-CNN，预训练在 ImageNet 上。部署在 MMDetection 上。MSM 有四个 switching states，对应于四组分辨率 $[14\times 14,28\times 28,56\times 56,112\times 112]$，${\lambda }_1=0.1$。首先使用 mask 损失在所有分辨率下训练没有 MSM 的网络一个 epoch。初始学习率 $0.02$，batch_size 16，8 GPUs，之后训练所有模块 12 个 epochs，SGD，相同的初始学习率及 batch_size，在第 8 和 11 个 epochs 时分别 $\times 0.1$，多尺度训练策略，短边随机从 $[640,800]$ 中采样，而在推理时，短边调整至 800。消融实验中采用 $1\times$ 训练计划，数据增强采用 MMDetection 定义的方式。

5.2 主要结果

与 Mask R-CNN 的比较

与 SOTA 的方法比较

分割结果的可视化

5.3 消融实验

Mask 分辨率预测

预算限制的影响

不同方法的速度比较

Mask 尺寸的影响

基于尺寸的 Mask 选择方法

  基于尺寸的方法表示根据目标尺寸来赋值 mask，具体来说，采用下列规则赋值给宽 $w$、高 $h$ 的实例一个 mask：
$$k=\lfloor k_0+lo{g}_2(\sqrt{wh}/\sqrt{w_0{h}_0})\rfloor$$其中 $w_0$、$h_0$ 分别表示输入图像的宽、高。$k_0$ 表示最大的 mask 分辨率，例如 $k_0=4$。这一式子意味着更大的目标将会赋值更大分辨率的 mask。实验结果如下表所示：

六、结论

  设计了一种双层 FPN 结构来充分利用金字塔的多层中互补的上下文细节信息。具体来说，除一般的图像水平金字塔 i-FPN 外，利用一组区域水平的自上而下的路径来逐渐扩大 mask 的尺寸并整合更多的 i-FPN 细节。此外，引入了 Mask Switch Module (MSM) 来自适应地为每个 proposal 选择合适的 mask，从而减小简单样本的冗余计算量。大量的实验表明本文提出的方法很有用。

七、补充材料

7.1 关于 Mask 分辨率预测的分析

mask 分辨率和类别之间的关联

Mask 选择的结果

7.2 预测的 Mask 分辨率分布

7.3 在 LVIS 数据集上的结果

7.4 与其他 FPN 变体的比较

7.5 定性结果

写在后面

  本文框架以及写作手法都值得借鉴，在当今 Mask R-CNN 都快被挖的啥都没有的情况下，还能有如此创新性想法的文章属实难得一见了。

  愉快的周末就要过去啦，下一周继续加油哇~文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-428485.html

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