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Sparse R-CNN: End-to-End Object Detection with Learnable Proposals
沿着目标检测领域中Dense和Dense-to-Sparse的框架，Sparse R-CNN建立了一种彻底的Sparse框架， 脱离anchor box，reference point，Region Proposal Network(RPN)等概念，无需Non-Maximum Suppression(NMS)后处理， 在标准的COCO benchmark上使用ResNet-50 FPN单模型在标准3x training schedule达到了44.5 AP和 22 FPS。
代码: https://github.com/PeizeSun/SparseR-CNN
论文链接: https://msc.berkeley.edu/research/autonomous-vehicle/sparse_rcnn.pdf
1. Motivation
我们先简单回顾一下目标检测领域中主流的两大类方法。
- 第一大类是从非Deep时代就被广泛应用的dense detector，例如DPM，YOLO，RetinaNet，FCOS。在dense detector中， 大量的object candidates例如sliding-windows，anchor-boxes， reference-points等被提前预设在图像网格或者特征图网格上，然后直接预测这些candidates到gt的scaling/offest和物体类别。
- 第二大类是dense-to-sparse detector，例如，R-CNN家族。这类方法的特点是对一组sparse的candidates预测回归和分类，而这组sparse的candidates来自于dense detector。
这两类框架推动了整个领域的学术研究和工业应用。目标检测领域看似已经饱和，然而dense属性的一些固有局限总让人难以满意：
- NMS 后处理
- many-to-one 正负样本分配
- prior candidates的设计
所以，一个很自然的思考方向就是：能不能设计一种彻底的sparse框架？最近，DETR给出了一种sparse的设计方案。 candidates是一组sparse的learnable object queries，正负样本分配是one-to-one的optimal bipartite matching，无需nms直接输出最终的检测结果。然而，DETR中每个object query都和全局的特征图做attention交互，这本质上也是dense。而我们认为，sparse的检测框架应该体现在两个方面：sparse candidates和sparse feature interaction。基于此，我们提出了Sparse R-CNN。
Sparse R-CNN抛弃了anchor boxes或者reference point等dense概念，直接从a sparse set of learnable proposals出发，没有NMS后处理，整个网络异常干净和简洁，可以看做是一个全新的检测范式。
2.Sparse R-CNN
Sparse R-CNN的object candidates是一组可学习的参数，N*4，N代表object candidates的个数，一般为100～300，4代表物体框的四个边界。这组参数和整个网络中的其他参数一起被训练优化。That's it，完全没有dense detector中成千上万的枚举。这组sparse的object candidates作为proposal boxes用以提取Region of Interest(RoI)，预测回归和分类。
这组学习到的proposal boxes可以理解为图像中可能出现物体的位置的统计值，这样coarse的表征提取出来的RoI feature显然不足以精确定位和分类物体。于是，我们引入一种特征层面的candidates，proposal features，这也是一组可学习的参数，N*d，N代表object candidates的个数，与proposal boxes一一对应，d代表feature的维度，一般为256。这组proposal features与proposal boxes提取出来的RoI feature做一对一的交互，从而使得RoI feature的特征更有利于定位和分类物体。相比于原始的2-fc Head，我们的设计称为Dynamic Instance Interactive Head.
Sparse R-CNN的两个显著特点就是sparse object candidates和sparse feature interaction，既没有dense的成千上万的candidates，也没有dense的global feature interaction。Sparse R-CNN可以看作是目标检测框架从dense到dense-to-sparse到sparse的一个方向拓展。
3. Architecture Design
Sparse R-CNN的网络设计原型是R-CNN家族。
- Backbone是基于ResNet的FPN。
- Head是一组iterative的Dynamic Instance Interactive Head，上一个head的output features和output boxes作为下一个head的proposal features和proposal boxes。Proposal features在与RoI features交互之前做self-attention。
- 训练的损失函数是基于optimal bipartite matching的set prediction loss。
从Faster
R-CNN(40.2 AP)出发，直接将RPN替换为a sparse set of learnable proposal
boxes，AP降到18.5；引入iterative结构提升AP到32.2；引入dynamic instance
interaction最终提升到42.3 AP。
4. Performance
我们沿用了Detectron2的3x training schedule，因此将Sparse R-CNN和Detectorn2中的detectors做比较（很多方法没有报道3x的性能，所以没有列出)。同时，我们也列出了同样不需要NMS后处理的DETR和Deformable DETR的性能。Sparse R-CNN在检测精度，推理时间和训练收敛速度都展现了相当有竞争力的性能。
5. Conclusion
R-CNN和Fast R-CNN出现后的一段时期内，目标检测领域的一个重要研究方向是提出更高效的region proposal generator。Faster R-CNN和RPN作为其中的佼佼者展现出广泛而持续的影响力。Sparse R-CNN首次展示了简单的一组可学习的参数作为proposal boxes即可达到comparable的性能。我们希望我们的工作能够带给大家一些关于end-to-end object detection的启发。