Mask R-CNN：实例分割与检测算法

摘要

目的：对象实例分割（区别出不同的对象）

提出：Mask R-CNN（扩展的FasterR-CNN）——通过在每个RoI处添加用于预测分割的mask（小的FCN），与用于分类和边界框回归的Faster R-CNN并行。

优点：很容易训练，易于实现，计算量小，运行速度为5 fps。

1、算法对比

1.1Faster R-CNN：使用RoIPool，并进行了量化操作，未进行像素分类

mask R-CNN：提出RoIAlign，无量化层，保留了精确的空间位置；作者为在类内预测二进制mask，并依赖于网络的RoI分类来预测类。

1.2与其他对象分割算法（先分割后识别）相比，作者采用分割与识别同时进行的思想。

1.3虽然FCIS算法也是通过一个全卷积网输出位置敏感的信息后，同时处理对象分类、回归框与mask，但相比mask R-CNN，它在overlapping方面错误率较多。

2、Mask R-CNN

2.1Faster R-CNN

a.用RPN得到候选的bbox；b.对每个bbox用RoIPool提取特征（Fast R-CNN），得到类别标签和bbox回归

2.2Mask R-CNN

a.用RPN得到候选的bbox；b.得到类别标签和bbox回归（Fast R-CNN），同时对每个RoI，得到二分类mask

定义损失函数：，其中，和与Fast R-CNN中定义相同，为K个类别标签（二分类）的像素的mask（单像素sigmoid）（平均二分类交叉熵损失），每个mask为独立的。

2.3引入RoIAlign的原因：

a.mask的空间结构可通过FCN卷积后对应的像素级来解释，要求RoI特征（它们本身就是小特征映射）要很好地对齐，从而提出RoIAlign层；

b.RoIPool（用于从每个RoI提取小特征映射）首先，将浮点数RoI量化为特征图的离散粒度，然后，将该量化后的RoI细分为空间区间，最后，聚合特征（通常通过最大池化）。对于量化步骤：在连续坐标x上，计算[x / 16]，其中16是stride，[·]为舍入计算;同样地，当区间为7×7时，在RoI和提取特征时引入角误差。但对精确像素的mask预测较差。

2.4RoIAlign：

目的：消除RoIPool的严格量化（避免对RoI边界或区间进行量化），将特征与输入对齐。

提出：使用x / 16替代[x / 16]，使用双线性插值计算每个RoI中四个输入特征的精确值，并汇总结果（用最大值或平均值）

RoIWarp：忽略了对齐问题，采用双线性重采样。

2.5网络结构：

多种体系Mask R-CNN包括：（i）整个图像上特征提取的卷积架构（网络深度特征：ResNet-FPN），（ii）每个RoI的分类回归和mask预测。

对于整体卷积架构：

C4：Faster R-CNN+ResNets中第四个stage最后一个卷积层提取的特征（当其为ResNet-50时，命名为ResNet-50-C4）；

FPN：Faster R-CNN+FPN（横向连接的自上而下架构）；

对于mask预测（全卷积mask预测：用ResNet和FPN扩展Faster R-CNN）：

ResNet-C4包括ResNet的第5个stage，计算复杂度较高。

FPN已包含res5，因此计算量较低。

3、评估与配置

3.1 评估详情看论文

3.2 实施细节

定义：与Fast R-CNN的RoI定义相同，若IOU与GT的交集大于0.5，则RoI为正，否则为负。：RoI与GT mask的交集，仅在RoI为正时定义。

输入：COCO trainval 35k，800像素，

型号：Nvidia Tesla M40 GPU，8个GPU（每个GPU处理2个图像）

训练：

（1）ResNet-101-FPN共44小时，速度 195 ms/image + 15 ms CPU调整为原始分辨率

与Fast R-CNN相同，采用以图像为中心进行训练，每个图像有N（，）个RoI，正负样本比为1：3。进行160k次迭代训练，学习率为0.02，在120k迭代时减少10，权重衰减0.0001，动量为0.9。其中RPN选用5个尺度和3种纵横比，和Mask R-CNN具有相同的主干，因此特征共享。

（2）ResNet-50-FPN共32小时，速度 720/16 ms/image

（3）ResNet-101-C4，速度 ~400 ms/image

测试：在检测出的proposal（C4上=300，FPN=1000）上运行box预测分支，然后进行非最大抑制，从其中提取出最优的100个box进行mask预测。在class分支中已经预测出每个RoI的类别（共K种类别），然后mask分支将m×m浮点数mask输出，进而调整RoI大小，并进行二分类。

备注：

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