Bounding-box 回归

Posted 2020-10-27 明也无涯

R-CNN系列均训练了Bounding-box回归器来对窗口进行校正,其目标是学习一种转换关系将预测得到的窗口P映射为真实窗口G(Ground truth).

变换方式

可以通过简单的仿射变换以及指数变换将当前预测出的Bounding-box P向Ground truth纠正:

\\[\\begin{cases} \\widehat{G_x}=P_wd_x(P)+P_x \\\\ \\widehat{G_y}=P_hd_y(P)+P_y \\end{cases} \\tag{仿射} \\]

\\[\\begin{cases} \\widehat{G_w}=P_we^{d_w(P)} \\\\ \\widehat{G_h}=P_he^{d_h(P)} \\end{cases}\\tag{尺度缩放} \\]

其中(x,y)是区域的中心点坐标,(w,h)是宽和高.
注意：只有当Proposal和Ground Truth比较接近时（线性问题），我们才能将其作为训练样本训练我们的线性回归模型.RCNN计算预测的Proposal与多个Ground Truth的IoU,如果没有任何重叠(IoU=0),则忽略这个Proposal不加入训练;将最大IoU对应的窗口作为Proposal"最近"的Ground Truth,如果此最大的IoU小于阈值(如0.6)也忽略掉.

通过上述\\(\\widehat G - P\\)公式可计算出需要学习的目标target：

\\[\\begin{cases} t_x = (G_x− P_x)/P_w \\\\ t_y = (G_y− P_y)/P_h \\\\ t_w = \\log(G_w/P_w) \\\\ t_h = \\log(G_h/P_h) \\end{cases} \\]

带L2正则项的(ridge regression)目标函数为:

\\[w_*= \\text{argmin}_{\\hat w_*}\\sum_i^N(t^i_*-s^i_*)^2+\\lambda\\|\\hat w_*\\|^2 \\]

其中\\(s^i_*=\\hat w_*^T\\phi(P^i)\\) ,而\\(w_*\\)是可学习的参数,\\(\\phi\\)是CNN中某一层的特征.
目标函数除了计算差方和的方式还可以是smooth L1.

加旋转角度

对于船只等目标，通常是长条形且在图片中呈倾斜状态，对其进行一定程度的旋转可能能取得更好的效果。因此可以同时在训练集、预测值、损失函数中加入旋转角度。参考论文"A High Resolution Optical Satellite Image Dataset for Ship Recognition and Some New Baselines" (ICPRAM 2017，Zikun Liu，Yiping Yang),"Rotated Region Based CNN for Ship Detection"(Zikun Liu，ICIP 2017)

在预测的proposal中加入旋转角度\\(\\theta=P_a\\)，得到：

\\[\\begin{cases} t_x = (G_x− P_x)/(P_w\\cosθ+P_h\\sin|θ|) \\\\ t_y = (G_y− P_y)/(P_w\\sin|θ|+P_h\\cosθ) \\\\ t_w = \\log(G_w/P_w) \\\\ t_h = \\log(G_h/P_h) \\\\ ta= (G_a−P_a)/(λ180) \\end{cases} \\]

λ是个常数(λ = 0.5)。
在上式中求\\(t_x,t_y\\)时旋转映射不稳定，可以替换为如下方式，先映射再直接对宽和高进行normalize。

\\[\\begin{cases} t_x = (\\cosα(G_x− P_x) + \\sinα(G_y− P_y))/P_w \\\\ t_y = (−\\sinα(G_x− P_x) + \\cosα(G_y− P_y))/P_h \\end{cases} \\]

scale-invariant translation (SIT)的示例图：