Mask R-CNN

一、Mask R-CNN是什么，可以做哪些任务？

图1 Mask R-CNN整体架构

Mask R-CNN是一个实例分割（Instance segmentation）算法，可以用来做“目标检测”、“目标实例分割”、“目标关键点检测”。

1. 实例分割（Instance segmentation）和语义分割（Semantic segmentation）的区别与联系

联系：语义分割和实例分割都是目标分割中的两个小的领域，都是用来对输入的图片做分割处理；

区别：

图2 实例分割与语义分割区别

1.  通常意义上的目标分割指的是语义分割，语义分割已经有很长的发展历史，已经取得了很好地进展，目前有很多的学者在做这方面的研究；然而实例分割是一个从目标分割领域独立出来的一个小领域，是最近几年才发展起来的，与前者相比，后者更加复杂，当前研究的学者也比较少，是一个有研究空间的热门领域，如图1所示，这是一个正在探索中的领域；

图3 实例分割与语义分割区别

2.  观察图3中的c和d图，c图是对a图进行语义分割的结果，d图是对a图进行实例分割的结果。两者最大的区别就是图中的"cube对象"，在语义分割中给了它们相同的颜色，而在实例分割中却给了不同的颜色。即实例分割需要在语义分割的基础上对同类物体进行更精细的分割。

注：很多博客中都没有完全理解清楚这个问题，很多人将这个算法看做语义分割，其实它是一个实例分割算法。

2. Mask R-CNN可以完成的任务

图4 Mask R-CNN进行目标检测与实例分割

图5 Mask R-CNN进行人体姿态识别

总之，Mask R-CNN是一个非常灵活的框架，可以增加不同的分支完成不同的任务，可以完成目标分类、目标检测、语义分割、实例分割、人体姿势识别等多种任务，真不愧是一个好算法！

3. Mask R-CNN预期达到的目标

• 高速
• 高准确率（高的分类准确率、高的检测准确率、高的实例分割准确率等）
• 简单直观
• 易于使用

4. 如何实现这些目标

高速和高准确率：为了实现这个目的，作者选用了经典的目标检测算法Faster-rcnn和经典的语义分割算法FCN。Faster-rcnn可以既快又准的完成目标检测的功能；FCN可以精准的完成语义分割的功能，这两个算法都是对应领域中的经典之作。Mask R-CNN比Faster-rcnn复杂，但是最终仍然可以达到5fps的速度，这和原始的Faster-rcnn的速度相当。由于发现了ROI Pooling中所存在的像素偏差问题，提出了对应的ROIAlign策略，加上FCN精准的像素MASK，使得其可以获得高准确率。

简单直观：整个Mask R-CNN算法的思路很简单，就是在原始Faster-rcnn算法的基础上面增加了FCN来产生对应的MASK分支。即Faster-rcnn + FCN，更细致的是 RPN + ROIAlign + Fast-rcnn + FCN。

易于使用：整个Mask R-CNN算法非常的灵活，可以用来完成多种任务，包括目标分类、目标检测、语义分割、实例分割、人体姿态识别等多个任务，这将其易于使用的特点展现的淋漓尽致。我很少见到有哪个算法有这么好的扩展性和易用性，值得我们学习和借鉴。除此之外，我们可以更换不同的backbone architecture和Head Architecture来获得不同性能的结果。
 

二、Mask R-CNN框架解析

图6 Mask R-CNN算法框架

1. Mask R-CNN算法步骤

• 首先，输入一幅你想处理的图片，然后进行对应的预处理操作，或者预处理后的图片；
• 然后，将其输入到一个预训练好的神经网络中（ResNeXt等）获得对应的feature map；
• 接着，对这个feature map中的每一点设定预定个的ROI，从而获得多个候选ROI；
• 接着，将这些候选的ROI送入RPN网络进行二值分类（前景或背景）和BB回归，过滤掉一部分候选的ROI；
• 接着，对这些剩下的ROI进行ROIAlign操作（即先将原图和feature map的pixel对应起来，然后将feature map和固定的feature对应起来）；
• 最后，对这些ROI进行分类（N类别分类）、BB回归和MASK生成（在每一个ROI里面进行FCN操作）。

2. Mask R-CNN架构分解

在这里，我将Mask R-CNN分解为如下的3个模块，Faster-rcnn、ROIAlign和FCN。然后分别对这3个模块进行讲解，这也是该算法的核心。

3. Faster-rcnn（该算法请参考该链接，我进行了详细的分析）

4. FCN

图7 FCN网络架构

FCN算法是一个经典的语义分割算法，可以对图片中的目标进行准确的分割。其总体架构如上图所示，它是一个端到端的网络，主要的模快包括卷积和去卷积，即先对图像进行卷积和池化，使其feature map的大小不断减小；然后进行反卷积操作，即进行插值操作，不断的增大其feature map，最后对每一个像素值进行分类。从而实现对输入图像的准确分割。具体的细节请参考该链接。

5. ROIPooling和ROIAlign的分析与比较

图8 ROIPooling和ROIAlign的比较

如图8所示，ROI Pooling和ROIAlign最大的区别是：前者使用了两次量化操作，而后者并没有采用量化操作，使用了线性插值算法，具体的解释如下所示。
 

图9 ROI Pooling技术

如图9所示，为了得到固定大小（7X7）的feature map，我们需要做两次量化操作：1）图像坐标 — feature map坐标，2）feature map坐标 — ROI feature坐标。我们来说一下具体的细节，如图我们输入的是一张800x800的图像，在图像中有两个目标（猫和狗），狗的BB大小为665x665，经过VGG16网络后，我们可以获得对应的feature map，如果我们对卷积层进行Padding操作，我们的图片经过卷积层后保持原来的大小，但是由于池化层的存在，我们最终获得feature map 会比原图缩小一定的比例，这和Pooling层的个数和大小有关。在该VGG16中，我们使用了5个池化操作，每个池化操作都是2Pooling，因此我们最终获得feature map的大小为800/32 x 800/32 = 25x25（是整数），但是将狗的BB对应到feature map上面，我们得到的结果是665/32 x 665/32 = 20.78 x 20.78，结果是浮点数，含有小数，但是我们的像素值可没有小数，那么作者就对其进行了量化操作（即取整操作），即其结果变为20 x 20，在这里引入了第一次的量化误差；然而我们的feature map中有不同大小的ROI，但是我们后面的网络却要求我们有固定的输入，因此，我们需要将不同大小的ROI转化为固定的ROI feature，在这里使用的是7x7的ROI feature，那么我们需要将20 x 20的ROI映射成7 x 7的ROI feature，其结果是 20 /7 x 20/7 = 2.86 x 2.86，同样是浮点数，含有小数点，我们采取同样的操作对其进行取整吧，在这里引入了第二次量化误差。其实，这里引入的误差会导致图像中的像素和特征中的像素的偏差，即将feature空间的ROI对应到原图上面会出现很大的偏差。原因如下：比如用我们第二次引入的误差来分析，本来是2,86，我们将其量化为2，这期间引入了0.86的误差，看起来是一个很小的误差呀，但是你要记得这是在feature空间，我们的feature空间和图像空间是有比例关系的，在这里是1:32，那么对应到原图上面的差距就是0.86 x 32 = 27.52。这个差距不小吧，这还是仅仅考虑了第二次的量化误差。这会大大影响整个检测算法的性能，因此是一个严重的问题。好的，应该解释清楚了吧，好累！

图10 ROIAlign技术

如图10所示，为了得到为了得到固定大小（7X7）的feature map，ROIAlign技术并没有使用量化操作，即我们不想引入量化误差，比如665 / 32 = 20.78，我们就用20.78，不用什么20来替代它，比如20.78 / 7 = 2.97，我们就用2.97，而不用2来代替它。这就是ROIAlign的初衷。那么我们如何处理这些浮点数呢，我们的解决思路是使用“双线性插值”算法。双线性插值是一种比较好的图像缩放算法，它充分的利用了原图中虚拟点（比如20.56这个浮点数，像素位置都是整数值，没有浮点值）四周的四个真实存在的像素值来共同决定目标图中的一个像素值，即可以将20.56这个虚拟的位置点对应的像素值估计出来。厉害哈。如图11所示，蓝色的虚线框表示卷积后获得的feature map，黑色实线框表示ROI feature，最后需要输出的大小是2x2，那么我们就利用双线性插值来估计这些蓝点（虚拟坐标点，又称双线性插值的网格点）处所对应的像素值，最后得到相应的输出。这些蓝点是2x2Cell中的随机采样的普通点，作者指出，这些采样点的个数和位置不会对性能产生很大的影响，你也可以用其它的方法获得。然后在每一个橘红色的区域里面进行max pooling或者average pooling操作，获得最终2x2的输出结果。我们的整个过程中没有用到量化操作，没有引入误差，即原图中的像素和feature map中的像素是完全对齐的，没有偏差，这不仅会提高检测的精度，同时也会有利于实例分割。这么细心，做科研就应该关注细节，细节决定成败。

6. LOSS计算与分析

由于增加了mask分支，每个ROI的Loss函数如下所示：

其中Lcls和Lbox和Faster r-cnn中定义的相同。对于每一个ROI，mask分支有Km*m维度的输出，其对K个大小为m*m的mask进行编码，每一个mask有K个类别。我们使用了per-pixel sigmoid，并且将Lmask定义为the average binary cross-entropy loss 。对应一个属于GT中的第k类的ROI，Lmask仅仅在第k个mask上面有定义（其它的k-1个mask输出对整个Loss没有贡献）。我们定义的Lmask允许网络为每一类生成一个mask，而不用和其它类进行竞争；我们依赖于分类分支所预测的类别标签来选择输出的mask。这样将分类和mask生成分解开来。这与利用FCN进行语义分割的有所不同，它通常使用一个per-pixel sigmoid和一个multinomial cross-entropy loss ，在这种情况下mask之间存在竞争关系；而由于我们使用了一个per-pixel sigmoid 和一个binary loss ，不同的mask之间不存在竞争关系。经验表明，这可以提高实例分割的效果。

一个mask对一个目标的输入空间布局进行编码，与类别标签和BB偏置不同，它们通常需要通过FC层而导致其以短向量的形式输出。我们可以通过由卷积提供的像素和像素的对应关系来获得mask的空间结构信息。具体的来说，我们使用FCN从每一个ROI中预测出一个m*m大小的mask，这使得mask分支中的每个层能够明确的保持m×m空间布局，而不将其折叠成缺少空间维度的向量表示。和以前用fc层做mask预测的方法不同的是，我们的实验表明我们的mask表示需要更少的参数，而且更加准确。这些像素到像素的行为需要我们的ROI特征，而我们的ROI特征通常是比较小的feature map，其已经进行了对其操作，为了一致的较好的保持明确的单像素空间对应关系，我们提出了ROIAlign操作。

三、Mask R-CNN细节分析

1. Head Architecture

图12 Head Architecture

如上图所示，为了产生对应的Mask，文中提出了两种架构，即左边的Faster R-CNN/ResNet和右边的Faster R-CNN/FPN。对于左边的架构，我们的backbone使用的是预训练好的ResNet，使用了ResNet倒数第4层的网络。输入的ROI首先获得7x7x1024的ROI feature，然后将其升维到2048个通道（这里修改了原始的ResNet网络架构），然后有两个分支，上面的分支负责分类和回归，下面的分支负责生成对应的mask。由于前面进行了多次卷积和池化，减小了对应的分辨率，mask分支开始利用反卷积进行分辨率的提升，同时减少通道的个数，变为14x14x256，最后输出了14x14x80的mask模板。而右边使用到的backbone是FPN网络，这是一个新的网络，通过输入单一尺度的图片，最后可以对应的特征金字塔，如果想要了解它的细节，请参考该链接。得到证实的是，该网络可以在一定程度上面提高检测的精度，当前很多的方法都用到了它。由于FPN网络已经包含了res5，可以更加高效的使用特征，因此这里使用了较少的filters。该架构也分为两个分支，作用于前者相同，但是分类分支和mask分支和前者相比有很大的区别。可能是因为FPN网络可以在不同尺度的特征上面获得许多有用信息，因此分类时使用了更少的滤波器。而mask分支中进行了多次卷积操作，首先将ROI变化为14x14x256的feature，然后进行了5次相同的操作（不清楚这里的原理，期待着你的解释），然后进行反卷积操作，最后输出28x28x80的mask。即输出了更大的mask，与前者相比可以获得更细致的mask。

图13 BB输出的mask结果

如上图所示，图像中红色的BB表示检测到的目标，我们可以用肉眼可以观察到检测结果并不是很好，即整个BB稍微偏右，左边的一部分像素并没有包括在BB之内，但是右边显示的最终结果却很完美。

2. Equivariance in Mask R-CNN
Equivariance 指随着输入的变化输出也会发生变化。
 

图14 Equivariance 1

即全卷积特征（Faster R-CNN网络）和图像的变换具有同变形，即随着图像的变换，全卷积的特征也会发生对应的变化；

图15 Equivariance2

在ROI上面的全卷积操作（FCN网络）和在ROI中的变换具有同变性；

图16 Equivariance3

ROIAlign操作保持了ROI变换前后的同变性；

图17 ROI中的全卷积

图18 ROIAlign的尺度同变性

图19 Mask R-CNN中的同变性总结

3. 算法实现细节

图20 算法实现细节

观察上图，我们可以得到以下的信息：

• Mask R-CNN中的超参数都是用了Faster r-cnn中的值，机智，省时省力，效果还好，别人已经替你调节过啦，哈哈哈；
• 使用到的预训练网络包括ResNet50、ResNet101、FPN，都是一些性能很好地网络，尤其是FPN，后面会有分析；
• 对于过大的图片，它会将其裁剪成800x800大小，图像太大的话会大大的增加计算量的；
• 利用8个GPU同时训练，开始的学习率是0.01，经过18k次将其衰减为0.001，ResNet50-FPN网络训练了32小时，ResNet101-FPN训练了44小时；
• 在Nvidia Tesla M40 GPU上面的测试时间是195ms/张；
• 使用了MS COCO数据集，将120k的数据集划分为80k的训练集、35k的验证集和5k的测试集；

四、性能比较

1. 定量结果分析

表1 ROI Pool和ROIAlign性能比较

由前面的分析，我们就可以定性的得到一个结论，ROIAlign会使得目标检测的效果有很大的性能提升。根据上表，我们进行定量的分析，结果表明，ROIAlign使得mask的AP值提升了10.5个百分点，使得box的AP值提升了9.5个百分点。

表2 Multinomial和Binary loss比较

根据上表的分析，我们知道Mask R-CNN利用两个分支将分类和mask生成解耦出来，然后利用Binary Loss代替Multinomial Loss，使得不同类别的mask之间消除了竞争。依赖于分类分支所预测的类别标签来选择输出对应的mask。使得mask分支不需要进行重新的分类工作，使得性能得到了提升。

表3 MLP与FCN mask性能比较

如上表所示，MLP即利用FC来生成对应的mask，而FCN利用Conv来生成对应的mask，仅仅从参数量上来讲，后者比前者少了很多，这样不仅会节约大量的内存空间，同时会加速整个训练过程（因此需要进行推理、更新的参数更少啦）。除此之外，由于MLP获得的特征比较抽象，使得最终的mask中丢失了一部分有用信息，我们可以直观的从右边看到差别。从定性角度来讲，FCN使得mask AP值提升了2.1个百分点。

表4 实例分割的结果

表5 目标检测的结果

观察目标检测的表格，我们可以发现使用了ROIAlign操作的Faster R-CNN算法性能得到了0.9个百分点，Mask R-CNN比最好的Faster R-CNN高出了2.6个百分点。

2. 定性结果分析

图21 实例分割结果1

图22 实例分割结果2

图23 人体姿势识别结果

图24 失败检测案例1

图25 失败检测案例2

五、总结

Mask R-CNN论文的主要贡献包括以下几点：

• 分析了ROI Pool的不足，提升了ROIAlign，提升了检测和实例分割的效果；
• 将实例分割分解为分类和mask生成两个分支，依赖于分类分支所预测的类别标签来选择输出对应的mask。同时利用Binary Loss代替Multinomial Loss，消除了不同类别的mask之间的竞争，生成了准确的二值mask；
• 并行进行分类和mask生成任务，对模型进行了加速。