目标检测新思路：DETR

news2024/11/19 18:22:08

Transformer是一种基于自注意力机制的神经网络架构，它能够从序列中提取重要信息，已被广泛应用于自然语言处理和语音识别等领域。随着Transformer的提出和发展，目标检测领域也开始使用Transformer来提高性能。

DETR是第一篇将Transformer应用于目标检测领域的算法，论文与代码地址如下：

论文地址：[2005.12872] End-to-End Object Detection with Transformers (arxiv.org)

代码地址：GitHub - facebookresearch/detr: End-to-End Object Detection with Transformers

DETR将Transformer应用至目标检测领域，虽然没有取得当时的SOTA，但其为目标检测打开了一扇新的大门，并且在后续的研究中为目标检测带来了许多创新，在目标检测与实例分割领域持续霸榜。

DETR论文通篇在强调一个重点：简单。那么它究竟有多简单呢？论文的最后给出了一段代码

import torch
from torch import nn
from torchvision.models import resnet50


class DETR(nn.Module):
    def __init__(self, num_classes, hidden_dim, nheads,
                 num_encoder_layers, num_decoder_layers):
        super().__init__()
        # We take only convolutional layers from ResNet-50 model
        self.backbone = nn.Sequential(*list(resnet50(pretrained=True).children())[:-2])
        self.conv = nn.Conv2d(2048, hidden_dim, 1)
        self.transformer = nn.Transformer(hidden_dim, nheads,
                                          num_encoder_layers, num_decoder_layers)
        self.linear_class = nn.Linear(hidden_dim, num_classes + 1)
        self.linear_bbox = nn.Linear(hidden_dim, 4)
        self.query_pos = nn.Parameter(torch.rand(100, hidden_dim))
        self.row_embed = nn.Parameter(torch.rand(50, hidden_dim // 2))
        self.col_embed = nn.Parameter(torch.rand(50, hidden_dim // 2))

    def forward(self, inputs):
        x = self.backbone(inputs)
        h = self.conv(x)
        H, W = h.shape[-2:]
        pos = torch.cat([
            self.col_embed[:W].unsqueeze(0).repeat(H, 1, 1),
            self.row_embed[:H].unsqueeze(1).repeat(1, W, 1),
        ], dim=-1).flatten(0, 1).unsqueeze(1)
        h = self.transformer(pos + h.flatten(2).permute(2, 0, 1),
                             self.query_pos.unsqueeze(1))
        return self.linear_class(h), self.linear_bbox(h).sigmoid()


detr = DETR(num_classes=91, hidden_dim=256, nheads=8, num_encoder_layers=6, num_decoder_layers=6)
detr.eval()
inputs = torch.randn(1, 3, 800, 1200)
logits, bboxes = detr(inputs)

DETR仅用几十行代码即可完成模型的构建，其结构图如下：

按照前向传播的思路，梳理DETR：

1. 图像先经过卷积骨干网络的处理，得到特征图，随后为了减少计算复杂度，通过conv层对特征图进行降维，此时特征图的维度为：（b，c，w，h）。为了将特征输入进Transformer，需要沿w、h维度将特征图拉平，得到：（b，c，s），其中s=w*h，表示序列长度。随后调整特征维度为（s，b，c），输入进Transformer。

2.通过Transfomer Encoder的全局建模处理，特征序列被赋予了更多语义信息，论文中将其称为memory。此时将object queries与memory共同输入至Transformer Decoder中。

3.Decoder通过Cross Attention机制，在memory中提取有助于object queries预测的特征，并输入至分类头与测头中，得到类别与预测框。

在下文中，我们将详细介绍这三个主要步骤，以更深入地理解DETR的工作原理。

卷积骨干网络

DETR论文发表于2020年，此时Vision Transformer还没有被提出，因此DETR使用的是卷积骨干网络ResNet50，用于特征提取。

ResNet50对图像输入进行32倍下采样。当图像尺寸为（batch_size，3，640，640）时，经过ResNet50的处理，得到（batch_size，2048，20，20）的特征图。

为了减少计算复杂度，使Transformer更高效的处理序列，使用一个1*1卷积，对输出的特征图进行降维，得到（batch_size，256，20，20）的特征图。

Transfomer Encoder的输入形式为（s，bach_size，c），其中s表示序列长度，c表示特征维度，因此要将特征图拉平为序列，并调整为（s，bach_size，c）形式，再加入位置编码，即可输入至Encoder中。

Transformer Encoder

Transformer Encoder的作用是特征加强。Encoder可以捕获序列之间的依赖关系，输出仍为（s，batch_size，c）的特征序列。Encoder结构如下，这里不对结构进行讲解。

之所以说Encoder的作用是特征加强，是因为Encoder不是必须的，论文中给出了不同数量的Encoder对结果的影响，如下表：

从表中可以看出，即使不使用Encoder结构，也能得到36.7的AP。

下面用一张图来具体演示Encoder的作用：

上图为Encoder中注意力机制的可视化，原理是在目标身上取一像素（上图中的红点），然后将这一像素与图上所有像素的注意力权重进行可视化。可以看出，Encoder中的注意力机制几乎将整个目标都抠了出来，即使是在遮挡严重的情况下也能较好的完成注意力的分配。

Encoder将ResNet提取的特征进行了加强，捕获了空间层面的依赖关系，使得特征能够更好的表示出目标的轮廓。

Transformer Decoder

Decoder的输入有两个：object queries与memory（Encoder的输出）。

Decoder可以看作是object queries“生长”的过程。

object queries有些类似于YOLO中的anchor，关于YOLO算法的讲解可以看我的这篇文章YOLOv5深度剖析_yolov5骨干网络-CSDN博客。从object queries到预测框的过程中可以看作是一个生长的过程。有别于标准的Transformer Decoder，object queries首先通过一个不带掩码的多头自注意力机制，以协调object queries之间工作，随后通过Cross Attention机制，在memory中查询待检测物体，最后经过分类头与预测头的处理，输出类别与检测框。