论文: 《Segment Anything》
github: https://github.com/facebookresearch/segment-anything

摘要

作者构建到目前为止最大分割数据集，包括1billion mask及11M image，该模型训练过程是可提示的，所有可以进行zero-shot任务，甚至超越之前全监督结果。

算法

SAM结构如图4，包括：图像编码器、灵活的prompt编码器、mask解码器。
Image encoder：
使用MAE预训练的ViT

Prompt encoder：
prompt分为两种：sparse (points, boxes, text) and dense (masks)。使用位置编码与可学习embedding相加表征points及boxes，使用clip中文本编码器编码text；对于稠密prompt（masks），使用卷积embedding并与image embedding逐像素相加。

Mask decoder：
映射image embedding、prompt embedding、output token至mask。Transformer decoder跟随一个动态mask预测头，decoder block使用prompt self-attention及cross-attention（prompt2img、img2prompt）更新所有embedding。两个block结束后上采样image embedding，通过MLP映射output token至动态线性分类器，计算每个像素前景概率。

Resolving ambiguity：
仅有一个输出，对于模棱两可prompt，模型将平均多个有效mask。为解决此问题，对于一个prompt，作者进行预测多个输出，如图3.分为三个层级：whole、part、subpart。训练过程中仅反向传播最小loss。为了对mask排序，模型对每个mask预测置信度得分（比如估计IoU）

Efficiency：
给出处理过的image embedding，在web浏览器prompt encoder及mask encoder运行在50ms内，达到实时交互。

Losses and training：
作者使用focal loss与dice loss的线性结合监督预测mask。作者使用混合prompt训练提示性分割任务，每个mask中随机采样11轮prompt来模拟交互，使 SAM能够无缝集成到数据引擎中。

数据引擎

数据引擎有三个阶段：
1、模型辅助的人工标注；
2、自动化预测mask及模型辅助标注；
3、模型生成mask，无需人工；

Assisted-manual stage
借助基于SAM的交互分割工具，人工点击前景或背景目标点进行标注mask。仅标注能够命名及描述的目标，无需收集这些文本信息，按照重要性进行顺序标定目标。
该阶段的SAM使用开源分割数据集训练，当收集足够多数据后，使用新标注数据训练。锁着数据的收集，image encoder逐渐扩大，作者训练了6次模型，每个mask标注耗时从34秒下降到14秒**。该过程收集了4.3M mask及120k image**。

Semi-automatic stage
为了增加模型分割万物的能力，让标注者关注不太重要目标，即模型未预测mask。该阶段收集5.9M mask及180k image。

Fully automatic stage
该阶段标注可完全自动化，归因于模型的两个强化点：收集足够多的mask改进模型；关注模棱两可目标的模型，使用32*32个网格点，每个点预测一系列有效目标相关的mask。

实验

7.1 零样本单点生成mask

真值mask在所有数据集上并未全部标注，因此原始评估结果不可信，作者补充标准mIoU评估方案，其中标注者对mask质量进行打分。
在23个数据集上，使用常规评估方案mIoU，SAM与RITM结果对比如图9a，SAM在16个数据集超越RITM，如果选用最相关的3个mask，而不是置信度最高的mask，性能够将全部超越RITM，如图9a中圆点所示，说明模棱两可目标对评估方案影响。
图9b展示标注人员对mask人工评分结果
图9c展示选取目标中心点，SimpleClick、FocalClick、RITM及SAM结果。
图9d展示随机选取点生成mask效果。

7.2 零样本边缘检测

使用16*16个规则网格前景点提示SAM生成768个预测mask，通过NMS除去多余mask，利用Soble算子计算边缘map。可视化结果如图10，

在BSDS500数据集实验结果如表3。

7.3. 零样本目标Proposals

以SAM输出mask作为proposal，最大1000个进行评估，实验结果如表4，ViTDet-H整体效果最佳，但是其在LVIS数据集训练过。

7.4. 零样本实例分割

通过目标检测器（ViTDet）生成预测框，以此提示SAM输出mask。实验结果如表5，SAM比ViTDet效果略差，但SAM未在该数据集训练。

7.5. 零样本文本生成Mask

SAM训练过程作者进行更改使其关注文本。具体地：对于100*100以上mask，使用CLIP提取image embedding，训练过程中使其提示SAM，因此推理时可使用CLIP文本embedding进行提示SAM生成mask。【个人认为不合理，image embedding与text embedding之间存在gap，因此效果不佳】
实验结果如图12，对于一些prompt难以分割正确目标，需要增加point辅助。

7.6. 消融实验

图13左展示仅使用自动标注数据比三阶段逐步训练效果低0.5，但训练复杂度降低。
图13中展示数据规模影响，使用SA-1B数据集10%数据训练与全量训练效果相当；
图13右展示图像编码器使用VIT-H改善明显。

讨论

基础模型新范式：在大规模数据集训练，自适应小规模数据集下游任务；

限制：

1. SAM泛化性不足；
2. 由于复杂image encoder原因SAM无法做到实时；
3. 文本引导mask仅进行初步探索，不够鲁棒；
4. 目前还不清楚如何设计简单提示实现语义及全景分割；

结论：

SAM是语义分割基础模型时代的一次尝试；
本文贡献主要为：

1. 一个新任务：提示性分割；
2. 模型：SAM
3. 数据集：SA-1B