FCOS进化版PolaMask，实例分割新思路

前言

做过目标检测的应该对FCOS不陌生，是anchor-free的杰出代表。其结构简单、性能优越，在业内受到广泛的关注。本文介绍的PolarMask正式借鉴FCOS的思路来进行实例分割，可以看作FCOS的进化版本，很有借鉴意义。

FCOS回顾

简单来说，FCOS是直接预测到box上下左右四条边的距离**(l,t,r,b)**进行box回归的。考虑到box内不会全部都是物体本身，因此设置box的中心点外扩一定的范围作为正样本。当然实际情况中会出现如下图box重叠的场景，FCOS的解决办法是FPN+重叠默认预测小物体来解决。首先是FPN，利用小的特征图预测大物体，大的特征图预测小物体，一定程度上缓解了目标重重叠的现象。如果重叠box落到相同的FPN输出层上，对应重叠的点优先选择预测小物体，因为越大的目标被正样本完全漏掉的概率越小。

FCOS还有一个设置就是centerness，如下图，网络会额外预测一个centerness分支，其规律是越靠近box中心点得分越高。类似confidence map，抑制低质量检测框的产生，快速过滤负样本，降低NMS负担，提高召回率和检测性能。测试使用的时候，会将center-nessmap和classification分支直接相乘用以过滤负样本。

PolarMask总览

作为FCOS的推广，PolarMask思路就是：FCOS预测到上下左右边界的距离来回归box，那么我就预测到四面八方等到多个边界的距离是不是可以回归mask，也就是预测多条射线。论文设定回归射线数目是36根。PolarMask的总体流程几乎与FCOS一样简单和干净。它引入了可忽略的计算开销。简单性和效率是single-shot实例分割的两个关键因素，PolarMask成功实现了它们。这样对head增加的运算，微不足道PolarMask。因此PolarMask最重要的特点是:

• anchor free and bbox free，不需要出检测框，更不需要预设anchor。
• 全卷积网络, 相比FCOS把4根射线散发到36根射线，将实例分割和目标检测用同一种建模方式来表达。

这里提前说明一下PolarMask在centernet上的推广之处：

• Head回归：预测4根射线推广到36根射线；
• Center-ness：到4条边的最小距离推广到到四周36个位置最小距离；
• IOU loss：box 的iou loss 推广到 Polar IoU loss；
• Nms：同样使用box的nms，不过利用的是mask生成的最小外box；

网络结构

网络结构就很简单了，直接继承FCOS的结构。FPN每层分别预测3个分支，分别是Classification，Polar Centerness和Mask Regression，唯一的区别就是Mask Regression的通道数目由FCOS的4变成了36（也可以是其他数量，不过作者认为36根射线足够比较高精度地拟合一个mask了）

Polar Mask Segmentation

这里重点介绍下Mask Regression怎么做的。首先是中心点设定，这里有两种选择，分别是重心和外接box中心。论文选择重心，因为相比较，重心落入物体内部的概率更大。当然也经过实验的分析，选择重心会比box中心获取的IOU要高。当然也有极端场景，中间为空的物体，例如甜甜圈，这两种中心策略都不适用。

既然获得目标的重心，和FCOS一样，特征图上，上下左右括1.5倍，每个实例有9∼16个正样本像素， 这样做的优点是1；解决正负样本不平衡，优点2：mass center不准的时候，更多的候选区域，会帮助网络训练找到更优秀的点。

另外还有两对特殊情况的设置：

• 如果一条射线和轮廓有多条相交，选择最大的那一个。
• 如果中心点在外面，那么就会有一部分在射线和mask轮廓没有交点，那么选择默认最小数值，比如10的负6次方。

这两种corner case 导致论文方法的测试指标理论上限不到100%，不过作者说，mask 预测也不会到达100%，Pixel-wise当前的这两种做法距离理论上限都很远。我认为，没有万能覆盖全部场景的方法，符合自己的场景，就可以使用。重点是在实际表现而不是对比理论上限.

预测过程：

将centerness 和classification分支相乘，获取confidence map，每一个fpn分支选取1k个样本，然后利用阈值0.05截断，获取mask再利用nms去除重复预测的，阈值选择iou的0.5。这里的nms中的iou不是对mask求iou，而是获取mask的最小外接矩形的IOU，估计是为了加速才这么设计的。

Polar Centerness

和FCOS一样，本文方法也设置了center-ness，用来抑制低质量检测框的产生，快速过滤负样本，降低NMS负担，提高召回率和检测性能。center-ness用来度量当前位置和物体中心间的距离，越靠近中间权重越大。由于本文任务是实例分割，预测mask，所以需要改进一下做法。本文做法：其中di是对应点到轮廓四周的距离

FCOS最法：其中**(l,t,r,b)是距离边界框左上右下的距离。**

根据消融实验，Polar Centerness可以有效提高1.4的性能，同时不增加网络复杂度。

loss设计

由于预测的射线更多了，而且所有射线需要同等对待，还要保持回归和分类loss的平衡。因此本文提出Polar IOU loss，可以看成普通边界框IOU loss的升级版本。做法如下：

绿色为GT轮廓，橙色为预测轮廓，由于角度采用的离散度数，因此该Polar IOU化简为如下：

其中dmin为gt和pred之间最小的距离，dmax为最大的距离，当gt和pred完全重合的时候，该IOU的值为1；分子和分母颠倒，并去log获得polar iou loss，如下：

该loss有以下3点优点：

• 可微的，既可以进行梯度回传backward优化；
• 从整体上预测回归目标。它提高了整体性能，与smooth-l 1损失相比，性能有很大提高；
• 可以自动平衡分类和回归分支；

实验结果

至此，本文做法介绍完毕，实验结果上还是比较优秀的。

结语

本文介绍了anchor free 目标检测的杰出代表FCOS的推广版本Polar IOU，用来做实例分割，是一个非常有借鉴意义的尝试。