【目标检测】58、目标检测中的正负样本分配策略总结

一、Anchor-bases 方法

1.1 Fast RCNN

使用 Selective Search 的方法进行 proposal 生成，得到约 2k proposal:

• 当 proposal 和 gt 的 IoU>=0.5 时，分配为正样本
• 当 proposal 和 gt 的 IoU 在 [0.1, 0.5) 之间时，标记为负样本
• 当 proposal 和 gt 的 IoU 在 [0, 0.1) 之间时，标记为负样本，用于难例挖掘

难例挖掘是在干什么（hard negative mining，难负样本挖掘）：

• 对一些负样本进行分类的时候，loss 比较大的那些样本，就容易被分配成正样本，这样的样本就叫 hard negative，会对模型效果产生影响
• 一般来说，如果直接对初始的 proposal 根据 IoU 分配正负后，送入网络训练，那么负样本数量会远大于正样本，这样训练的分类器总是有限的，会出现很多预测为负例的正样本，因为模型直接将输入预测为负的就会有很高的准确率
• 所以，难例挖掘是挖掘困难负样本，也就是最容易预测错误的样本，在保证正负样本比例均衡的情况下，将更多的 hard negative 加入负样本集，会比使用更多 easy negative 对模型效果提升更大一些
• 难样本挖掘的具体操作是计算出所以负样本的损失进行排序，选取损失较大的TOP-K个负样本，这里的K设为正样本数量的3倍

如何进行难例挖掘：

• 先计算所有 proposal 的 loss
• 对 loss 从大到小进行排序
• 保留 loss 大的框，再次进行训练，即通过 loss 提高网络对这些难样本的关注

1.2 Faster RCNN

Faster RCNN 涉及到了两次正负样本的划分

检测网络的正负样本划分：

• 首先，对每个标定的 gt 框，与其 IoU 最大的 anchor 记为正样本 (保证每个ground true至少对应一个正样本anchor)
• 然后，剩余的 anchor，如果其与某个标定区域重叠比例大于 0.7，记为正样本。如果其与任意一个标定的重叠比例都小于 0.3，记为负样本
• 最后，上两步剩余的 anchor 作为 ignore 舍弃不用，且跨越图像边界的 anchor 弃去不用

RPN 网络的正负样本划分：

• 将 20000 多个 proposal 选出 256 个进行分类和回归位置
• 对于每一个 gt，选择和它 IoU 最高的一个 anchor 作为正样本
• 对于剩下的 anchor，从中选择和任意一个 gt 的 IoU 超过 0.7 的 anchor，作为正样本，正样本的数目不超过 128 个
• 随机选择和 gt 重叠度小于 0.3 的 anchor 作为负样本。负样本和正样本的总数为256。

1.3 SSD

• 与 gt 的 IoU > 0.5 的框判定为正样本
• 其它框作为负样本鉴定为背景
• 使用了难例挖掘

1.4 RetinaNet

• 在每个位置设定多个 anchor，使用 IoU 来区分前景、背景框
• IoU 大于某个阈值（如0.5）的为正样本，小于某个阈值（如0.3）的为负样本，其他框忽略。

缺点：IoU 阈值需要人工选择

1.5 YOLOv1

• 对每个 gt 只分配一个网格区域（也可以看做隐式的 anchor）作为正样本，分配的依据是和该 gt 的 IoU 最大
• 其他的网格区域都分配为负样本

1.6 ATSS

ATSS 如何划分正负样本：

• 计算每个样本点和真实框中心点的 L2 距离，保留距离最小的前 k 个点
• 计算保留下来的 anchor 和真实框的 IoU，并计算这组 IoU 的均值和方差，均值和方差的和即为阈值
• 大于阈值的为正样本

上面为什么使用 anchor 和 object 的中心点距离来选择候选框？

• RetinaNet 中，如果两个框中心点距离越近，则其 IoU 得分会越高
• FCOS 中，anchor point 如果距离目标中心点的距离越近，则是高质量 point，会产生更好的检测结果。

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为什么要使用均值和标准差这些统计结果来非固定的阈值？

这里使用的是 $k\times l$ 个 anchor 的 IoU 的统计信息，也可以看做是选择了 level。

本文的阈值是一个统计结果，如图 3(a) 有一个高的阈值，这是因为这里的候选框质量都很高，如图3(b) 有一个低的阈值，说明这里的框的质量都不高，如果使用高阈值的话，会把绝大部分的框都滤掉，不合适，所以使用统计的量作为阈值是一个可取的方式。

1.7 OTA

RetinaNet 使用 IoU 来实现，FCOS 根据每个点是否在 gt box 内部来确定其正负。

这些方法忽略了一个问题：不同大小、形状、遮挡程度的目标，其 positive/negative 的判定条件应该是不同的。

所以就有一些方法使用动态的分配方法，来实现 label assignment。

• ATSS 根据统计信息，来分配正负样本
• Freeanchor、AutoAssign 等通过使用预测的 confidence score 来动态分配正负

作者认为，独立的给每个 gt 分配 pos/neg 不是最优的方法，缺失了上下文信息，当处理那些模棱两可的 anchor 时（如图 1 中的红色点，一个点处于多个 gt 中），上面的方法是靠手工的特征来选定属于哪个 gt 的（如 max-IoU、min-Area 等）。

CNN 的方法中，其实是 one-to-many 的形式，也就是一个 gt 会对应多个 anchor。

本文作者为了从 global 的层面来实现 CNN 中的 one-to-many assignment，将 label assignment 问题变成了一个 Optimal Transport（OT）问题（线性规划的一个特殊形式）。

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OT 是这样的一个问题：

• 假设有 m 个供货商（gt），n 个需求方（anchor）
• 第 $i$ 个供货商有 $s_i$ 单元的货物（一个 gt 对 $s_i$ 个 anchor 负责），第 $j$ 个需求方需要 $d_j$ 单元的货物（一个 anchor 只需要一个 label）
• 每个单元的货物从供货商 $i$ 到需求方 $j$ 的 Transporting cost 是 $cij$
• OT 问题的目标是寻找一个 transportation plan π*，让这个 Transporting cost 最小

OTA 的过程如下：

• 先经过推理，得到预测的 anchor 对应的类别和位置
• 确定每个 gt 负责的 anchor 个数 $s_i$（根据 Dynamic k 得到的）
• 确定 background 负责的 anchor 个数 $s_{m+1}$（n-s）
• 每个 anchor 需要的 label 都是 1 个
• 计算每个 gt 对所有 anchor 的 cost（包括分类 cost、回归 cost、center prior cost）
• 优化 cost，得到最优传输方案 π*
• 每个 gt 根据前面计算得到的负责的 anchor 个数，则选择该 gt 对应的该行中，前 top-k 个位置的 anchor 作为候选框
• 如果多个 gt 对应了一个 anchor，则在这几个 gt 中选择 cost 最小的，对该 anchor 负责

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1.8 SimOTA

SimOTA 是 YOLOX 中使用的 label assignment 的方式。都是旷世提出的方法。

在 OTA 中，总结了一个好的 label assignment 的方法一般有四个优点，且 OTA 也都满足了：

• Loss/quality aware
• Center prior
• Dynamic number of positive anchors for each $gt$
• Global view

OTA 将 label assignment 问题从 global 层面出发并看成了一个最优传输的问题，但 OTA 有一个问题，它需要使用 Sinkhorn-Knopp algorithm 来优化，这会增加 25% 的训练时间，假设使用 300 epoch，那增加的时长是不容小觑的。

所以孙剑等人又提出了 SimOTA，将 OTA 的优化过程简化了——dynamic top-k strategy，使用该优化策略得到一个大概的解决方案。

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SimOTA 是如何简化的？

• 求每个真值和 anchor 的传输花费 $c_{ij}$：在 SimOTA 中，真值 $g_i$ 和预测 anchor $p_j$ 的传输花费如下，$\lambda$ 是权重，其余两者分别为 $g_i$ 和 $p_j$ 的分类 loss 和回归 loss：
  
• 对于每个真值 $g_i$，在固定的 center 区域，选择花费最小的前 k 个 anchor，作为该 $g_i$ 所负责的 anchor。也就是使用某种方法优化传输方式使得花费最小，而是直接选择计算后的 cost matrix 中，每行对应花费最小的 anchor。至于每个 gt 选择 k 个 anchor，这里的 $k$ 仍然使用 OTA 中的 Dynamic k Estimation 方法。

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SimOTA 的优势：

• 降低了训练时间
• 避免了 Sinkhorn-Knopp algorithm 优化过程中的超参数
• 在 YOLOX 中，将 AP 从 45%→47.3%

二、Anchor-free 方法

2.1 FCOS

FCOS 中，是以 anchor point 作为特征点，将每个点当做训练样本，使用点是否在框内来区域前景、背景点

缺点：需要设定阈值参数，且这些确定的规则虽然对大多数目标适用，但对一些 outer 的目标是不使用的，所以，对不同的目标应该用不同的规则。

2.2 AutoAssign

贡献：提出了让网络自主学习 anchor 正负的方法，首先提出了一种与类别相关且对不同位置使用不同权重的 label assign 方法，能够同时优化空间和尺度的 label assignment。具体来说，就是引入了两个加权系数：① Center weighting 用于学习不同类别的先验，让每个类别有自己的正样本采样方式；② confidence weighting 用于学习每个位置的前景权重和背景权重

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现有的标签分配方法的不足：

• Anchor-free 方法中有些方法将落在 gt 中心点某个半径内的点看做正样本，也称为 center prior， 也就是认为距离中心点距离越近的点，越有可能是正样本。而这些前提都需要极强的先验知识，同时也是固定策略的正负样本，不能在训练过程中通过学习进行更改。
• 有海量的超参数需要调整：例如，anchor 的 num，size，aspect ratios；或者 radius，top-k，IoU 阈值等等
• 现有的 label assignment 方法对 spatial 和 scale 的 assign 是分别采用不同的方式解决的，没有同时解决。

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其他方法是怎么解决上述问题的：

• GuidedAnchoring 和 MetaAnchor 在 sampling 之前，动态的改变 anchor 的形状
• 还有一些方法在空间维度（FreeAnchor、ATSS）和尺度维度（FSAF）动态修正采样的策略

其他方法的缺点：

• 上述的方法只能在数据维度添加动态的因子，还有需要人为设定的参数在里边。

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AutoAssign 的做法：AutoAssign 的正负样本分配，可以看做把处于目标上的样本点看做正样本，把虽然在 bbox 内但不属于目标本身的样本点看做负样本（AutoAssign 认为在真实目标上采样，肯定比在背景上采样效果更好）。

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AutoAssign 这样做的优势：让标签的分配依赖于数据先验的同时，也能对不同的类别进行不同的自适应，避免了人为选定参数，如 IoU 阈值、anchor 分布、top-k 等。

AutoAssign 的两个特点：

• 将每个尺度的每个位置平等看待，不直接划分正负样本：AutoAssign 的框架是建立在 FCOS 之上的，对每个 location 都平等对待，每个 location 都有正样本属性和负样本属性（即体现在原文中的w+ 和w-）。

  也就是说，在优化的过程中，有些样本会同时受到来自它为正样本的监督和负样本的监督，两者利用 $w^{+}$ 和 $w^{-}$ 来平衡配比，此外，不在任何 gt 框里的 location 其正样本属性 w+ 必然为0，也就是那些位置必然是background。

• 联合优化分类和回归（将回归函数也处理成了似然形式）：$L_i(\theta )=L_i^{cls}(\theta )+\lambda L_i^{loc}(\theta )=-log(P_i(\theta ))$

加权机制：

• Center weighting module：class-aware，给每个类别学习一个正负样本分配方式，给正负样本加权，一般认为距离中心越近，是正样本的权重越大，但这里是对每个类别分别学习先验，可以调整中心点的位置和开口的尺度
• Confidence weighting module：instance-aware，给每个位置分别学习正负样本的权重 $w^{+}$ 和 $w^{-}$，作为权重控制最终的 loss。

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从 label assignment 的角度来看，AutoAssign 究竟做了什么：

• 能够从特征图中动态的找到 FPN 的合适的尺度，和空间位置

2.3 YOLOv2~vn

1、YOLOv2-v3 中引入了 anchor：一个 gt 由一个特征层中的一个 anchor 来负责

• YOLOv3 中使用了 3 个不同大小尺度的特征输出层，使用 k-means 得到 9 种 anchors 后，对每层根据大小分配三个 anchors
• 正样本：每个 grid 会有 3 个预定义的 anchor，三层就会有 9 个 anchors，假设某个 gt 的中心落在了某个 grid 上，计算中心落入该 grid 内的 9 个 anchors 和该 gt 的 IoU，最大 IoU 的 anchor 作为正样本，每个对每个 gt 分配一个和其 IoU 最大的 anchor 作为正样本，参与正样本 loss 计算
• 忽略样本：但是由于 v2 中的边界框其实比 v1 多，此时定了一个 IoU 阈值，anchor 和 gt 的 IoU<阈值（0.2）的才是负样本，如果在阈值和最大 IoU 之间的样本均作为忽略样本
• 总结：v2 和 v3 都使用的 max-iou 匹配方法

2、YOLOv4：一个 gt 由一个特征层中的多个 anchor 来负责（一个 gt 可以有 [0, 3] 个 anchors）

• 在训练中，若只取一个 IoU 最大为正样本，则可能导致正样本太少，而负样本太多的正负样本不均衡问题，这样会大大降低模型的精确度。

• YOLOv4 如何选择由哪一层来负责该 gt 呢：需要利用 max iou 原则，将 gt 分配到和其 IoU 最大的 anchor 对应的层上去，然后在对应的层上单独计算正负样本和忽略样本。不存在某个 gt 会分配到多个层进行预测的可能性，而是一定是某一层负责的。

• YOLOv4 如何对负责 gt 的层上的 anchor 进行正负分配： 采用 multi anchor 策略，即只要大于 IoU 阈值的 anchor box，都统统视作正样本（一层上最多有三个 anchor，即最多有 3 个正样本）。

• 那些原本在 YOLOv3 中会被忽略掉的样本，在 YOLOv4 中则统统成为了正样本，这样 YOLOv4 的正样本会多于 YOLOv3，对性能的提升也有一些帮助。

3、YOLOv5：anchor-based ，一个 gt 由多个特征层中的多个 grid 来负责（一个 gt 可以有 [0, 27] 个 anchors 负责）

• YOLOv5 没有使用 IoU 匹配原则，而是采用了 anchor 和 gt 的宽高比匹配度作为划分规则，同时引入跨邻域网格策略来增加正样本。YOLOv5 不限制每个 gt 只能由某一层的特征图来负责，只要宽高比满足阈值的 anchor，都可以对该 gt 负责。也就是说，YOLOv5 中，一个 gt 可以由多层特征和多个网格来负责，一个 gt 可以对应 [0, 27] 个 anchors。
• 主要包括如下两个核心步骤：
  • 首先，统计这些比例和它们倒数之间的最大值，这里可以理解成计算 gt 和 anchor 分别在宽度以及高度方向的最大差异（当相等的时候比例为1，差异最小），宽度比例计算如下的值，如果 $r^{max}<ancho{r}_{thr}$（默认 $ancho{r}_{thr}$ 为 4），则判定为正样本，即符合宽高比阈值条件的 anchor 判定为该 gt 的正样本，不符合条件的 anchor 判定为该 gt 的负样本。
    • $r_w=w_{gt}/w_{anchor}$，$r_h=h_{gt}/h_{anchor}$
    • r w m a x = m a x { r w , 1 / r w } r_w^{max} = max\{r_w, 1/r_w\} rwmax​=max{rw​,1/rw​}， r h m a x = m a x { r h , 1 / r h } r_h^{max} = max\{r_h, 1/r_h\} rhmax​=max{rh​,1/rh​}
    • $r^{max}=max(r_w^{max},r_h^{max})$
  • 然后，如果 gt 的中心点落入了某个 grid 的第三象限（grid 是投影到原图中来看的，所以是一个图像块，而非输出 head 特征图上的一个点），则该 grid 的右边和下边的 grid 中，和第一步匹配到的 anchor 的长宽相同的 anchors 也作为正样本。其他三个象限同理，一象限对应左和上，二象限对应上和右，三象限对应右和下，四象限对应左和下。

4、YOLOX：

• anchor free。

• simOTA 能够做到自动的分析每个 gt 要拥有多少个正样本。

• 能自动决定每个 gt 要从哪个特征图来检测。

5、YOLOv6：

• 第一版使用 simOTA

• 论文版本使用 TAL

6、YOLOv7：

YOLOv7 也仍然是 anchor base 的目标检测算法，YOLOv7 将 YOLOv5 和 YOLOX中的正负样本分配策略进行结合，流程如下：

• YOLOv5：

  • 会将一个特征点分为四个象限，针对步骤 1 中匹配的 gt，会计算该 gt 的中心点（图中蓝色点）处于四个象限中的哪一个，并将邻近的两个特征点也作为正样本。若 gt 偏向于右下角的象限，就会将 gt 所在 grid 的右边、下边特征点也作为正样本。

• YOLOX：SimOTA

  • 计算每个样本对每个 GT 的 Reg+Cls loss（Loss aware）
  • 使用每个GT的预测样本确定它需要分配到的正样本数（Dynamic k）
  • 为每个GT取loss最小的前dynamic k个样本作为正样本
  • 人工去掉同一个样本被分配到多个GT的正样本的情况（全局信息）

其实主要是将 SimOTA 中的第一步 「使用中心先验」替换成「YOLOv5」中的策略。相比只使用 YOLOv5，YOLOv7 加入了 loss aware，利于当前模型的表现，能够再进行一次精筛。而融合策略相较于只使用 YOLOX 中 SimOTA，能够提供更精确的先验知识。

7、YOLOv8

• 使用 TAL
• TAL 中引入了分类和回归是否对齐的衡量指标：anchor alignment metric $t=s^{\alpha }\times u^{\beta }$，其中 s 为分类 score，u 为 IoU 的值，对于每个 gt，选择 m 个 t 值最大的 anchor 作为正样本，其他的 anchor 作为负样本，并且将 t 嵌入分类和回归损失函数实现动态分配。$L_{cls}={\Sigma }_{i=1}^{N_{pos}}|\widehat{t_i}-s_i|BCE(s_i,\widehat{t_i})+{\Sigma }_{j=1}^{N_{neg}}{s}_j^{\gamma }BCE(s_j,0)$，$L_{reg}={\Sigma }_{i=1}^{N_{pos}}\widehat{t_i}{L}_{GIoU}(b_i,\widehat{b_i})$，TAL 的总训练损失为 $L_{cls}+L_{reg}$

TAL 具体是怎么做的：

• 引入了 anchor 的分类和回归是否对齐的衡量指标：anchor alignment metric
• 指标是怎么计算的：$t=s^{\alpha }\times u^{\beta }$，其中 s 为分类 score，u 为 IoU 的值，$\alpha$ 和 $\beta$ 用于控制分类和回归这两个任务在 anchor 对齐度量中的影响，t 在这两个任务的联合优化中起着关键作用，以实现任务对齐的目标。
• 理论上的优势：让网络从联合优化的角度动态关注高质量的 anchor（即任务对齐程度更高的 anchor）
• 如何使用该指标 t 来进行正负样本的分配：对于每个 gt，选择 m 个 t 值最大的 anchor 作为正样本，其他的 anchor 作为负样本
• 如何将 t 嵌入分类损失函数实现动态分配：
  • 为了增加对齐指标高的 anchor 的分类得分，且降低对齐指标低的 anchor 分类得分，在训练期间，使用归一化后的 $\hat{t}$ 来替换 anchor 原本学习的二进制标签，如何归一化呢， $\hat{t}$ 的最大值是每个 gt 对应的 anchor 的最大 IoU 值 (u)
  • 分类交叉熵损失为 $L_{cls\_pos}={\Sigma }_{i=1}^{N_{pos}}BCE(s_i,\widehat{t_i})$
  • 此外，还可以使用 Focal loss 的形式来减轻训练时的正负样本不平衡：$L_{cls}={\Sigma }_{i=1}^{N_{pos}}|\widehat{t_i}-s_i|BCE(s_i,\widehat{t_i})+{\Sigma }_{j=1}^{N_{neg}}{s}_j^{\gamma }BCE(s_j,0)$
• 如何将 t 嵌入回归损失函数实现动态分配：
  • 已知高质量（分类和回归都很好）的 anchor 有利于模型性能的优化，低质量的 anchor 可能会对模型训练产生负面的影响，所以更关注具有较大 t 的 anchor 来提高回归精度也很重要。这里，也会根据 $\hat{t}$ 来重新为每个 anchor 加权来计算回归损失，故 GIoU 重新定义如下：
  • $L_{reg}={\Sigma }_{i=1}^{N_{pos}}\widehat{t_i}{L}_{GIoU}(b_i,\widehat{b_i})$
  • TAL 的总训练损失为 $L_{cls}+L_{reg}$

2.4 CenterNet

Centernet 的正负样本判定很简单，将目标检测建模成了一个基于关键点检测的结构，当 gt 中心落在哪个位置，那个位置就是正样本，其余位置都是负样本。

由于这样正负样本极度不平衡，所以，Loss 上做了很大的文章，参考 Focal loss 构建了属于自己的损失函数。

2.5 DETR-like

DETR 是一个端到端的检测器，输入一张图，输出直接是预测结果，不需要 NMS 等后处理

DETR 设置了 100 个 object query，设置了 100 个 gt（不够的话用 $\varphi$ 填充）：

DETR 使用二分匹配（匈牙利算法来实现）来实现对预测框和真实框的一对一匹配，注意这里每个 gt 只会被分配到一个 object query， 一对一的匹配策略决定了 DETR 不需要后处理 NMS。