干貨｜在目標(biāo)檢測(cè)中如何解決小目標(biāo)的問(wèn)題？

在深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測(cè)中，特別是人臉檢測(cè)中，由于分辨率低、圖像模糊、信息少、噪聲多，小目標(biāo)和小人臉的檢測(cè)一直是一個(gè)實(shí)用和常見(jiàn)的難點(diǎn)問(wèn)題。然而，在過(guò)去幾年的發(fā)展中，也出現(xiàn)了一些提高小目標(biāo)檢測(cè)性能的解決方案。本文將對(duì)這些方法進(jìn)行分析、整理和總結(jié)。

圖像金字塔和多尺度滑動(dòng)窗口檢測(cè)

一開(kāi)始，在深學(xué)習(xí)方法成為流行之前，對(duì)于不同尺度的目標(biāo)，通常是從原始圖像開(kāi)始，使用不同的分辨率構(gòu)建圖像金字塔，然后使用分類(lèi)器對(duì)金字塔的每一層進(jìn)行滑動(dòng)窗口的目標(biāo)檢測(cè)。

在著名的人臉檢測(cè)器MTCNN中，使用圖像金字塔法檢測(cè)不同分辨率的人臉目標(biāo)。然而，這種方法通常是緩慢的，雖然構(gòu)建圖像金字塔可以使用卷積核分離加速或簡(jiǎn)單粗暴地縮放，但仍需要做多個(gè)特征提取，后來(lái)有人借其想法想出一個(gè)特征金字塔網(wǎng)絡(luò)FPN，在不同層融合特征，只需要一次正向計(jì)算，不需要縮放圖片。它也被應(yīng)用于小目標(biāo)檢測(cè)，這將在后面的文章中討論。

簡(jiǎn)單，粗暴和可靠的數(shù)據(jù)增強(qiáng)

通過(guò)增加訓(xùn)練集中小目標(biāo)樣本的種類(lèi)和數(shù)量，也可以提高小目標(biāo)檢測(cè)的性能。有兩種簡(jiǎn)單而粗糙的方法：

• 針對(duì)COCO數(shù)據(jù)集中含有小目標(biāo)的圖片數(shù)量較少的問(wèn)題，使用過(guò)采樣策略：

不同采樣比的實(shí)驗(yàn)。我們觀察到，不管檢測(cè)小目標(biāo)的比率是多少，過(guò)采樣都有幫助。這個(gè)比例使我們能夠在大小物體之間做出權(quán)衡。

• 針對(duì)同一張圖片中小目標(biāo)數(shù)量少的問(wèn)題，使用分割mask切出小目標(biāo)圖像，然后使用復(fù)制和粘貼方法(當(dāng)然，再加一些旋轉(zhuǎn)和縮放)。

通過(guò)復(fù)制粘貼小目標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)人工增強(qiáng)的例子。正如我們?cè)谶@些例子中所觀察到的，粘貼在同一幅圖像上可以獲得正確的小目標(biāo)的周?chē)h(huán)境。

在Anchor策略方法中，如果同一幅圖中有更多的小目標(biāo)，則會(huì)匹配更多的正樣本。

為了克服這一問(wèn)題，我們提出通過(guò)復(fù)制粘貼小目標(biāo)來(lái)人工增強(qiáng)圖像，使訓(xùn)練過(guò)程中有更多的anchor與小目標(biāo)匹配。

特征融合FPN

不同階段的特征圖對(duì)應(yīng)不同的感受野，其所表達(dá)的信息抽象程度也不同。

淺層特征圖感受野小，更適合檢測(cè)小目標(biāo)，深層特征圖較大，更適合檢測(cè)大目標(biāo)。因此，有人提出將不同階段的特征映射整合在一起來(lái)提高目標(biāo)檢測(cè)性能，稱(chēng)之為特征金字塔網(wǎng)絡(luò)FPN。

由于可以通過(guò)融合不同分辨率的特征圖來(lái)提高特征的豐富度和信息含量來(lái)檢測(cè)不同大小的目標(biāo)，自然會(huì)有人進(jìn)一步猜測(cè)，如果只檢測(cè)高分辨率的特征圖(淺層特征)來(lái)檢測(cè)小人臉，使用中分辨率特征圖(中間特征)來(lái)檢測(cè)大的臉。

合適的訓(xùn)練方法SNIP, SNIPER, SAN

在機(jī)器學(xué)習(xí)中有一點(diǎn)很重要，模型預(yù)訓(xùn)練的分布應(yīng)該盡可能接近測(cè)試輸入的分布。因此，在大分辨率(如常見(jiàn)的224 x 224)下訓(xùn)練的模型不適合檢測(cè)小分辨率的圖像，然后放大并輸入到模型中。

如果輸入的是小分辨率的圖像，則在小分辨率的圖像上訓(xùn)練模型，如果沒(méi)有，則應(yīng)該先用大分辨率的圖片訓(xùn)練模型，然后再用小分辨率的圖片進(jìn)行微調(diào)，最壞的情況是直接使用大分辨率的圖像來(lái)預(yù)測(cè)小分辨率的圖像(通過(guò)上采樣放大)。

因此，在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)輸入圖像進(jìn)行放大并進(jìn)行高速率的圖像預(yù)訓(xùn)練，然后對(duì)小圖像進(jìn)行微調(diào)比針對(duì)小目標(biāo)訓(xùn)練分類(lèi)器效果更好。

更密集的Anchor采樣和匹配策略S3FD, FaceBoxes

如前面的數(shù)據(jù)增強(qiáng)部分所述，將一個(gè)小目標(biāo)復(fù)制到圖片中的多個(gè)位置，可以增加小目標(biāo)匹配的anchor數(shù)量，增加小目標(biāo)的訓(xùn)練權(quán)重，減少網(wǎng)絡(luò)對(duì)大目標(biāo)的偏置。同樣，在逆向思維中，如果數(shù)據(jù)集已經(jīng)確定，我們也可以增加負(fù)責(zé)小目標(biāo)的anchor的設(shè)置策略，使訓(xùn)練過(guò)程中對(duì)小目標(biāo)的學(xué)習(xí)更加充分。

例如，在FaceBoxes中，其中一個(gè)貢獻(xiàn)是anchor策略。

Anchor密集化策略，使不同類(lèi)型的anchor在圖像上具有相同的密度，顯著提高小人臉的召回率。

總結(jié)

本文較詳細(xì)地總結(jié)了一般目標(biāo)檢測(cè)和特殊人臉檢測(cè)中常見(jiàn)的小目標(biāo)檢測(cè)解決方案。

英文原文：https://medium.datadriveninvestor.com/how-to-deal-with-small-objects-in-object-detection-44d28d136cbc

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