本文《ScratchDet: Training Single-Shot Object Detectors from Scratch》提出了一種從零開始訓(xùn)練的單步目標(biāo)檢測器ScratchDet， 并基于root-block設(shè)計了新的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)Root-ResNet。ScratchDet的性能在現(xiàn)有從頭開始訓(xùn)練的目標(biāo)檢測模型中達(dá)到最佳，且優(yōu)于部分基于預(yù)訓(xùn)練基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的檢測模型。

論文地址:
https://arxiv.org/pdf/1810.08425.pdf
代碼地址:
https://github.com/KimSoybean/ScratchDet

引言

當(dāng)前最優(yōu)的目標(biāo)檢測框架基本都是以預(yù)訓(xùn)練的高精度分類網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，在其后增加相應(yīng)的檢測器并進(jìn)行finetune。分類和檢測任務(wù)對于平移不變性的敏感程度并不相同，且基于finetune的方法不便于對基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行修改。因此本文提出了一種從頭開始訓(xùn)練的目標(biāo)檢測器ScratchDet。

ScratchDet

BatchNorm用于從頭開始訓(xùn)練

BatchNorm使得優(yōu)化空間變得顯著平滑，誘導(dǎo)梯度產(chǎn)生更加可預(yù)測和穩(wěn)定的行為，從而允許更大的參數(shù)搜索空間和更快的收斂速度。本文以SSD作為研究和對比對象，原始的SSD中不包含BatchNorm。

BatchNorm用于基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)

在SSD的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中每一個卷積層后均添加BatchNorm，由表1中結(jié)果可以看出，當(dāng)學(xué)習(xí)率為0.001時，由67.6%提高至72.8%，同時由于BatchNorm使得優(yōu)化空間變得顯著平滑，從而可以使用更大的學(xué)習(xí)率進(jìn)行訓(xùn)練，當(dāng)學(xué)習(xí)率增大到為0.05時，其則提升至78.7%

表1 BatchNorm對目標(biāo)檢測網(wǎng)絡(luò)在VOC 2007 test上的性能的影響

BatchNorm用于檢測頭

通過圖1（b）和圖1（c）可知，當(dāng)用默認(rèn)的學(xué)習(xí)率從頭開始訓(xùn)練SSD時，其梯度L2范數(shù)的波動較為劇烈，尤其是在訓(xùn)練的初始階段，使其損失產(chǎn)生突變，收斂于一個較差的局部最小值，這也有效解釋了為何使用較大學(xué)習(xí)率從頭訓(xùn)練SSD網(wǎng)絡(luò)時通常會導(dǎo)致梯度爆炸和較差的性能。

與之相比，在SSD檢測頭中增加BatchNorm，使得優(yōu)化空間更加平滑，由67.6%提高至71.0%。在應(yīng)用較大學(xué)習(xí)率之后，其則可提高至75.6%。同時，大的學(xué)習(xí)率有助于模型跳出較差的局部最優(yōu)，產(chǎn)生更加穩(wěn)定的梯度。

圖1 BatchNorm用于檢測頭的效果

BatchNorm用于整個目標(biāo)檢測網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)同時在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和目標(biāo)檢測頭中使用BatchNorm，并采用0.05的學(xué)習(xí)率從頭訓(xùn)練，最終可達(dá)到78.7%，性能超過基于預(yù)訓(xùn)練VGG網(wǎng)絡(luò)的SSD為77.2%。

基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)

ResNet和VGG的性能分析

VGG-16和ResNet-101是SSD中兩個常用的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，總體來說，ResNet-101在分類性能上優(yōu)于VGG-16。但在輸入圖片尺寸相對較小（）的數(shù)據(jù)集PASCAL VOC上，基于VGG-16的SSD其檢測精度卻優(yōu)于基于ResNet-101的模型。當(dāng)從ResNet-101第一個卷積層中移除下采樣操作后，其從73.1%提高至77.6%，表明該下采樣操作造成了較多的信息損失，對于模型的檢測精度有較大的負(fù)面影響，尤其是對于圖片中較小的目標(biāo)。

目標(biāo)檢測基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

為了在克服上述缺陷的同時保持基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的分類能力，本文基于原始SSD中的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)ResNet進(jìn)行了改進(jìn)，提出了新的結(jié)構(gòu)，名為Root-ResNet，其核心思想是去除了原始ResNet第一個卷積層中的下采樣操作，并將的單步卷積替換成3個卷積的堆疊。該設(shè)計能使網(wǎng)絡(luò)捕獲更多的局部信息，從而為小目標(biāo)的檢測提取更加豐富有效的特征。同時本文將SSD中用于提取不同尺度特征的卷積層替換為多個殘差模塊，每個殘差模塊由兩個分支組成，一個分支是步幅為2的卷積，另一個分支則由兩個卷積堆疊而成，其中第一個卷積的步幅為2，第二個卷積的步幅為1，卷積的輸出通道數(shù)皆為128。

實驗結(jié)果

PASCAL VOC

在的圖像輸入下，ScratchDet的在VOC 2007上達(dá)到80.4%，在從頭訓(xùn)練的檢測模型中達(dá)到最佳，同時也優(yōu)于預(yù)訓(xùn)練的單步檢測模型，如SSD300和DES300。而在VOC 2012上，ScratchDet的也達(dá)到78.5%，且與輸入圖像尺寸為，基于預(yù)訓(xùn)練的雙步檢測網(wǎng)絡(luò)相比，如R-FCN，其值高出了0.9%。

表 2 ScratchDet與其他目標(biāo)檢測模型在PASCAL VOC數(shù)據(jù)集上的性能對比

MS COCO

在MS COCO數(shù)據(jù)集上，ScratchDet的為32.7%，遠(yuǎn)優(yōu)于相似輸入尺寸的其他模型。對于Faster R-CNN 和 Deformable R-FCN等模型，其訓(xùn)練及驗證的圖像尺寸較大，公平起見，本文測試了ScratchDet的多尺度檢測結(jié)果，其為39.1%，優(yōu)于具有較大輸入尺寸的單步及雙步目標(biāo)檢測模型。

表 3 ScratchDet與其他目標(biāo)檢測模型在MS COCO數(shù)據(jù)集上的性能對比

結(jié)論

(1)本文分析了BatchNorm在目標(biāo)檢測模型的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)及檢測頭中的作用，并實現(xiàn)了目標(biāo)檢測網(wǎng)絡(luò)的從頭開始訓(xùn)練。

(2)通過分析基于VGG和ResNet的SSD網(wǎng)絡(luò)的性能，提出了新的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)Root-ResNet用以進(jìn)一步提高目標(biāo)檢測的精度。

(3)本文提出了一種從頭訓(xùn)練的新目標(biāo)檢測模型ScratchDet，與其他從頭訓(xùn)練的目標(biāo)檢測模型相比，該模型在VOC及COCO數(shù)據(jù)集上取得最佳性能，且優(yōu)于部分基于預(yù)訓(xùn)練基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的單步及雙步目標(biāo)檢測模型。

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