CVPR論文解讀：非常高效的物體檢測Mimic方法

雷鋒網 AI科技評論按：CVPR 2017正在夏威夷火熱進行中，精彩論文層出不窮。下文是Momenta高級研發工程師蔣雲飛對會上 Mimicking Very Efficient Network for Object Detection 論文進行的解讀。

背景

Mimic作為一種模型小型化的方法，Hinton在 Distilling the Knowledge in a Neural Network一文中已經詳細定義並介紹過，但近些年來大部分有關於mimic的論文主要都是局限在較為簡單的classification 的任務中，而對於較為複雜一些的detection任務，直接套用以前的方案則顯得不行。本文提出了一種學習feature map來實現Object Detection任務上mimic的方法。

傳統的Mimic過程，一般使用一個已經訓練好的大模型，固定該模型的weights不變，設計一個小模型，學習大模型的soft targets 或者logits的輸出；大模型學習到有效的信息可以傳遞給小模型，使得小模型也可以有較為不錯的性能表現，其Loss函數如下：

其中W為小模型的weights，g(x;W) 為小模型的輸出，z為學習的大模型的輸出。

然而直接套用該方法在檢測任務中，效果很差，因此作者進行了進一步的探索。首先，對於常見的檢測網路如Faster-RCNN、RFCN、SSD等進行分析，可以發現，它們主要包含兩部分，分別為feature extractor以及feature decoder。而不同的大網路主要是feature extractor不同，因此作者認為對於feature map進行mimic，可以獲得較為有效的結果。

Mimic方法詳細敘述：

因此作者提出了本文的mimic演算法，在使用本身ground-truth監督小模型訓練的同時，加入大小模型之間feature map的監督，使得mimic的效果會更好。大致的流程如下圖所示：

但同時作者也指出，單純使小模型學習大模型的feature map並不能work，原因在於feature map的維度太高，包含太多全局的信息，而對於僅有少量object的feature map，通常只有微弱的響應。因此，該文中提出了一個新的卷積網路mimic方法，即將學習整個feature map變為學習proposal採樣之後的feature來簡化任務。

在由小網路生成的proposal中，使用spatial pyramid pooling方法在大小網路上進行局部特徵採樣（後經作者指正為直接使用pixel-wise的學習），然後通過L2 loss減小二者之間的差別，loss function定義如下：

總的loss主要由兩部分組成，分別為mimic loss 以及ground-truth loss，作者在實驗中發現，對於mimic loss進行normalization可以取得更為穩定的mimic結果：

同時，作者還提到了對於小網路與大網路feature map大小不同的情況（譬如小網路中輸入圖像減半），可以增加一個轉換層（deconvolution）使得大小網路最終mimic的層保持一致，如下圖所示：

另外，在faster rcnn中stage2 fast rcnn的訓練過程中，也可以添加大網路的監督信號（監督框的classification以及regression），使得小網路可以學習到更多大網路的有效信息，得到更好的結果。

結果分析：

作者在Caltech行人數據集以及PASCAL VOC 2007 數據集上進行了實驗。

Caltech使用log average Miss Rate on False Positive Per Image作為評價標準，作者首先訓練並得到了兩個baseline檢測網路：

同時，定義了mimic的小網路的結構為1/n-Inception 網路，網路的深度與層數沒有改變，減小每層conv的channel個數，使得網路變得更細。

可以看到直接使用傳統mimic方法訓練模型，結果非常糟糕，甚至不及直接使用數據集對小網路進行訓練：

而後作者使用本文方法進行Mimic訓練，取得了較為可觀的性能增長：

從上述結果中，可以看到使用mimic的結果取得了與原網路差不多甚至稍好的結果。

同理，在VOC數據集的測試結果中也可以看到，Mimic的方法取得了很有競爭力的結果。

現場問答

在2017 CVPR現場與論文的作者李全全進行的討論與交流：

Q：本文為何使用 spatial pyramid pooling進行feature map的sample，是否考慮使用其他方式例如ROI-pooling？

A：經過李全全確認，他後期是直接使用ROI，也即兩個feature map pixel-wise相減，而不是spatial pyramid pooling；使用SPP的效果理應是好於單size的pooling的（roi-pooling）。

Q：為何使用單層（最後一層）feature map進行mimic，是否可以融合多個feature map？

A：可以嘗試融合多個feature map 進行監督，理論上來說效果應該會比較好，但由於時間較為緊張，所以沒有做。文中使用的normalization是為了穩定，因為每次出來的proposal的size是不斷變化的，因此在計算loss的時候的pixel的數量也會發生較大的變化，因此需要使用normalization。

Q：為何使用 deconvolution，是否可以對feature map 直接進行線性縮放？

A：直接對於feature map進行縮放是可行的。同時，這樣的結構本身會在小物體的檢測上比較有用。如果把deconv層獨立成一個分支的話（deploy的時候去掉這個分支），效果可能比不上將這個小網路放大，目前看來，大的feature層對於小物體的檢測還是比較有好處的。

Q：為何使用小網路生成的 proposal ，有沒有嘗試過直接使用 ground-truth boxes？

A：希望模型更多的是關注object在feature map上有響應的地方，所以使用Top-proposal。具體來說，Top-proposal的方法中，proposal的數量設定在256或者512，正負樣本比例設定在1:1；而使用GroundTruth的框來做監督的效果並不好，作者有進行過類似的實驗：對於負樣本來說使用random的sample，正樣本直接使用GroundTruth，結果比使用top-proposal的方法差一些。

Q：有沒有嘗試過其他不同網路結構的mimic （更小或者更瘦長的）？

A：對於mimic來說，其實小網路本身有一個baseline，大網路有一個baseline，mimic的任務便是縮小兩者之間的差別；而對於小網路來說，相似的網路會有較好的學習能力，當然對於不同結構的小網路也可以使用deconv的方式來進行學習。

論文地址：http://openaccess.thecvf.com/content_cvpr_2017/papers/Li_Mimicking_Very_Efficient_CVPR_2017_paper.pdf

雷鋒網 AI科技評論編輯。

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