论文速递 | 实例分割算法BlendMask，实时又state-of-the-art

BlendMask通过更合理的blender模块融合top-level和low-level的语义信息来提取更准确的实例分割特征，该模型效果达到state-of-the-art，但结构十分精简，推理速度也不慢，精度最高能到41.3AP，实时版本BlendMask-RT性能和速度分别为34.2mAP和25FPS，并且论文的优化方法很有学习的价值，值得一读

论文:BlendMask: Top-Down Meets Bottom-Up for Instance Segmentation

• 论文地址：https://arxiv.org/abs/2001.00309

Introduction

  密集实例分割模型早期主要有两种，top-down apporach和bottom-up apporach

top-down apporach

  top-down模型先通过一些方法获取box区域，然后对区域内的像素进行mask提取，这种模型一般有以下几个问题：

• 特征和mask之间的局部一致性会丢失，论文讨论的是Deep-Mask，用fc来提出mask
• 冗余的特征提取，不同的bbox会重新提取一次mask
• 由于使用了缩小特征图的卷积，位置信息会损失

bottom-up apporach

  bottom-up模型先对整图进行逐像素预测(per-pixel prediction)，每个像素生成一个特征向量，然后通过一些方法来对像素进行分组。由于进行的是逐像素级预测且步长很小，局部一致性和位置信息可以很好的保存，但是依然存在以下几个问题：

• 严重依赖逐像素预测的质量，容易导致非最优的分割
• 由于mask在低维提取，对于复杂场景(类别多)的分割能力有限
• 需要复杂的后处理方法

hybridizing apporach

  考虑到上面的问题，论文综合了top-down和bottom-up的策略，利用instance-level信息(bbox)对per-pixel prediction进行裁剪和加权输出。虽然FCIS和YOLACT已有类似的思想，但论文认为他们都没有很好的处理top-level和bottom-level的特征，高维特征包含整体的instance信息，而低维特征的则保留了更好的位置信息，论文的重点在于研究如何合并高低维特征，主要贡献有以下几点：

• 提出了proposal-based的instance mask合并方法，blender，在COCO上对比YOLACT和FCIS的合并方法分别提升了1.9和1.3mAP
• 基于FCOS提出简洁的算法网络BlendMask
• BlendMask的推理时间不会像二阶检测器一样随着预测数量的增加而增加
• BlendMask的准确率和速度比Mask R-CNN要好，且mask mAP比最好的全卷积实例分割网络Tensor-Mask要高1.1
• 由于bottom模块能同时分割多种物体，BlendMask可直接用于全景分割
• Mask R-CNN的mask输出固定为$28\times 28$，BlendMask的mask输出像素可以很大，且不受FPN的限制
• BlendMask通用且灵活，只要一些小修改，就可以用于其它instance-level识别任务中，例如关键点检测

Our methods

Overall pipeline

  BlendMask包含检测网络和mask分支，mask分支包含3个部分，bottom module用于预测score maps，top layer用于预测实例的attentions，blender module用于整合分数以及attentions，整体的架构如图2所示

• Bottom module

  bottom module预测的score maps在文中称为基底(base)$B$。$B$的大小为$N\times K\times \frac{H}{s}\times \frac{W}{s}$，其中N为batch size，K为基底的数量，$H\times W$是输入的大小，而$s$则是score maps的输出步长。

DeepLab V3+

  论文采用DeepLab V3+的decoder，该decoder包含两个输入，一个低层特征和一个高层特征，对高层特征进行upsample后与低层特征融合输出。这里使用别的结构也是可以的，而bottom module的输入可以是backbone的feature，也可以是类似YOLACT或Panoptic FPN的特征金字塔

• Top Layer

  在每一个detection tower后接了一层卷积层用来预测top-level attentions$A$。 在YOLACT中，每一层金字塔($H_l\times W_l$)输出的$A$为$N\times K\times H_l\times W_l$，即对应基底每个channel的整体的权重值。而论文输出的$A$为$N\times (K\cdot M\cdot M)\times H_l\times W_l$，$M\times M$是attention的分辨率，即对应基底每个channel的像素点的权重值，粒度更细，是element-wise的操作(后面会讲到)。

  由于attentions是3D结构($K\cdot M\cdot M$)，因此可以学习到一些实例级别的信息，例如对象大致的形状和姿态。$M$的值是比较小的，只做粗略的预测，一般最大为14，使用output channel为($K\cdot M\cdot M$)的卷积来实现。在送到一下个模块之前，先使用FCOS post-process方法来选择top D个bbox $P={pd \in \mathbb{R}{\ge0}^4 |d=1...D}$和对应的attentions $A={a_d \in \mathbb{R}^{K\times M\times M} |d=1...D}$，具体的选择方法是选择分类置信度$\ge$阈值的top D个bbox，阈值一般为0.05

• Blender module

  Blender module是BlendMask的关键部分，根据attentions对位置敏感的基底进行合并输出

Blender module

  blender模块的输入为bottom-level的基底$B$以及选择的top-level attentions$A$和bbox$P$

  首先，使用Mask R-CNN的ROIPooler来截取每个bbox$p_d$对应的基底区域，并resize成固定$R\times R$大小的特征图$r_d$。具体地，使用sampleing ratio=1的RoIAlign，每个bin只采样1个点，Mask R-CNN每个bin采样4个点。在训练的时候，直接使用gt bbox作为proposals，而在推理时，则直接用FCOS的检测结果

  attention大小$M$是比$R$小的，因此需要对$a_d$进行插值，从$M\times M$变为$R\times R$，$R={r_d|d=1...D}$

  接着对$a_d^{'}$的K维attention分别进行softmax归一化，产生一组score map $s_d$

  然后对每个region$R$的$r_d$和对应的score map$S$的$s_d$进行element-wise product，最后将K个结果进行相加得到$m_d$

  图1对blend module的操作进行了可视化，可以看到attenttions和基底的特征以及融合的过程，可以说十分生动形象了

Configurations and baselines

  BlendMask的超参数如下：

• $R$，bottom-level RoI的分辨率
• $M$，top-level预测的分辨率
• $K$，基底的数量(channel)
• bottom模块的输入可以是骨干网络或FPN的feature
• 基底的采样方法可以是最近邻或双线性池化
• top-level attentions的插值方法可以是最近邻或双线性采样

  论文用缩写$R_K_M$来表示模型，使用骨干特征C3和C5作为bottom模块的输入，top-level attention使用最近邻插值，bottom level使用双线性插值，与RoIAlign一致

Semantics encoded in learned bases and attentions

  基底和attentions的可视化结果如图3所示，论文认为BlendMask能提取两种位置信息：

• 像素是否在对象上(semantic masks)
• 像素是否在对象的具体部位上(position-sensitive features)，比如左上角，右下角

  红蓝两个基底分别检测了目标的右上和左下部分点，黄色基底则检测了大概率在目标上的点(semantic mask)，而绿色基底则激活了物体的边界，position-sensitive features有助于进行实例级别的分割，而semantic mask则可以对postion-sensitive进行补充，让最后的结果更加顺滑。由于学习到了更多准确的特征，BlendMask使用了比YOLACT和FCIS少很多的基底纬度(4 vs. 32 vs. 49)

Experiment

消融实验

• Merging methods: Blender vs. YOLACT vs. FCIS

  论文将blender改造成其它两个算法的merge模型进行实验，从Table1可以看出，Blender的merge方法要比其它两个算法效果好

• Top and bottom resolutions

  从Table2可以看出，随着resolution的增加，精度越来越高，为了保持性价比，R/M的比例保持大于4，总体而言，推理的时间是比较稳定的

• Number of bases

  从Table3可以看出，K=4是最优

• Bottom feature locations: backbone vs. FPN

  从图4可以看出，使用FPN特征作为bottom模块的输入，不仅效率提升了，推理时间也加快了

• Interpolation method: nearest vs. bilinear

  在对top-level attentions进行插值时，双线性比最近邻高0.2AP

  而对bottom-level score maps进行插值时双线性比最近邻高2AP

• Other improvements

  论文也尝试了其它提升网络效果的实验，虽然这些trick对网络有一定的提升，但是没有加入到最终的网络中

Main result

• Quantitative results

  从结果来看，BlendMask在效果和速度上都优于目前的实例分割算法，但是有一点，在R-50不使用multi-scale的情况下，BlendMask的效果要比Mask R-CNN差

• Real-time setting

  为了跟YOLACT对比，论文改造了一个紧凑版的BlendMask-RT: 1) 减少prediction head的卷积数 2) 合并classification tower和box tower 3) 使用Proto-FPN并去掉P7。从结果来看，BlendMask-RT比YOLACT快7ms且高3.3AP

• Qualitative results

  图4展示了可视化的结果，可以看到BlendMask的效果比Mask R-CNN要好，因为BlendMask的mask分辨为56而Mask R-CNN的只有28，另外YOLACT是难以区分相邻实例的，而BlendMask则没有这个问题

Discussions

• Comparison with Mask R-CNN

  BlendMask的结构与Mask R-CNN类似，通过去掉position-sensitive feature map以及重复的mask特征提取来进行加速，并通过attentions指导的blender来替换原来复杂的全局特征计算

  BlendMask的另一个优点是产生了高质量的mask，而分辨率输出是不受top-level采样限制。对于Mask R-CNN增大分辨率，会增加head的计算时间，而且需要增加head的深度来提取准确的mask特征 。另外Mask R-CNN的推理时间会随着bbox的数量增加而增加，这对实时计算是不友好的

  最后，blender模块是十分灵活的，因为top-level的实例attention预测只有一个卷积层，对于加到其它检测算法中几乎是无花费的

• Panoptic Segmentation

  BlendMask可以通过使用Panoptic-FPN的语义分割分支来进行全景分割任务，从结果来看，BlendMask效果更好

总结

  BlendMask通过更合理的blender模块融合top-level和low-level的语义信息来提取更准确的实例分割特征，该模型综合各种优秀算法的结构，例如YOLACT，FOCS，Mask R-CNN，比较tricky，但是很有参考的价值。BlendMask模型十分精简，效果达到state-of-the-art，推理速度也不慢，精度最高能到41.3AP，实时版本BlendMask-RT性能和速度分别为34.2mAP和25FPS，并且论文实验做得很充足，值得一读

参考内容

• 论文阅读学习 - (DeeplabV3+)Encoder-Decoder with Atrous Separable Convolution
• 加州大学提出：实时实例分割算法YOLACT，可达33 FPS/30mAP！现已开源！
• FCOS-一个挺不错的anchor free目标检测方法

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