PAA论文解读：在物体检测中利用概率分布来将anchor分配为正负样本

首发：AI公园公众号
编译：ronghuaiyang

导读
又一篇anchor匹配策略的文章，不过确实是简单有效，在ATSS上只需要很小的修改就可以提升性能。GFL2在框的预测上用上了概率分布，这里又在anchor匹配上用上了概率分布。

代码：https://github.com/kkhoot/PAA
论文：https://arxiv.org/abs/2007.08103

摘要：文章提出了一种新的anchor分配机制，根据模型的学习状态，自适应的将anchor分配成正负样本。我们首先计算anchor在当前模型条件下的得分，然后用这些得分拟合一个概率分布出来，然后利用这个概率分布来区分正负样本，然后模型再用这些正负样本进行训练。然后，我们研究了训练和推理之间的gap，提出了用预测IoU的方式来作为定位质量的度量。我们把定位质量得分和分类得分结合起来用到NMS中来进行anchor的分配。这个方法只需要增加一个卷积层，而且每个位置不需要多个anchor，所以非常的高效。

1. 介绍

对原有的基于anchor和gt的IoU的正负样本的分配规则进行了扩展，考虑到了模型的当前的状态信息，这样的话，正样本的分配是和模型有关的，当没有一个anchor和gt有较高的IoU的时候，需要把一些anchors分配为正样本，来降低由于anchor设计的不合理造成的影响。在这种情况下，模型认为的最优的anchor可以作为正样本。另外，当有太多的anchors模型都认为质量很高的时候，这些anchor都可以认为是正样本。因此，最重要的是，为了满足这些条件，anchor的质量评估需要可以反映出模型当前的学习状态，也就是其参数值。

基于这个动机，我们提出了probabilistic anchor assignment（PAA）策略，自适应的将所有的anchor分配成正负样本。首先，我们定义一个得分，可以反映出检测框分类和定位的质量，然后，我们识别出这个得分和训练时候两个损失之间的关系。基于这种评分方法，我们为每个anchor都进行打分，得到模型认为的这个anchor是否对于检测目标物体非常有用的评价。基于这些anchor得分，我们可以得到两种形式的概率分布，可以最好的表示出模型是正样本或者是负样本的概率。如图1，然后，在找到的概率分布下，选择那些正样本概率高的作为正样本。这样的话，就把anchor分配的问题变成了最大似然估计问题。基于这种假设，模型计算出来的得分是从这个概率分布中采样出来的，我们期望模型可以从概率的角度去infer具有可分性的样本，让训练变得更加容易。另外，由于正样本是从anchor得分的概率分布中选择出来的，因此，不需要预先设置正样本的数量和IoU的阈值。

另外，我们发现在训练和测试的时候，存在不一致的情况，训练的时候需要同时优化分类和定位，在测试的时候，只根据分类得分来选择框。理想情况下，检测框的质量应该是由分类和定位一起决定的，为了解决这个问题，我们提出了预测IoU的值来作为定位质量，然后将这个IoU的预测值乘上分类得分，来对框进行排序。如图2：

本文贡献如下：

1、提出了一种新的anchor框的分配策略，计算模型得分的概率分布，用最大似然来估计这个概率分布，自适应的选取正负样本。

2、为了对齐anchor分配，优化和后处理过程，提出对IoU进行预测，同时使用分类和定位得分一起来对检测框进行排序来做NMS，最后，我们提出了一种得分投票的方法来进一步提升performance。

3、进行了消融实验，进一步验证了我们方法的有效性。

2. 方法

2.1 基于概率分布的anchor分配策略

我们这个anchor的匹配策略应该关注一下几点：首先，应该可以度量给定anchor的质量，基于使用这个anchor可以用来预测这个目标的线索的多少来定义这个质量。第二，anchor的正负样本的分割应该是要可以自适应的，最后，这个匹配策略的表示形式应该是一个概率分布的最大似然估计，这样模型可以从概率的方式来实现这个anchor的分配。因此，我们设计了一个anchor的评分方法和一个anchor的分配策略。

具体来说，我们先定义这个anchor的质量评分，这个评分应该可以反映出这个预测框预测离它最近的那个GT的时候的质量，一个直觉的方法计算分类得分定位得分，并相乘：

为了让模型可以从概率的方法分配这个anchor到底是正样本还是负样本，我们把这个anchor对于给定GT的得分看成是从一个分布中采样得到的，然后用最大似然的方法来估计这个分布的参数，然后，通过这个概率分布来将anchor分配为正负样本。由于我们的目的是将anchor分为两组，正样本和负样本，任意可以建模这个多峰分布的概率分布都可以满足，这里我们选择了GMM（高斯混合模型），用两个高斯分布来建模这个anchor的得分分布。

给定一组anchor得分，我们使用EM算法来估计这个概率分布的参数。

得到了这个概率分布之后，就可以用各种方法来分出正负样本，图3给出了不同的分割方法。为了计算这个anchor的得分，先将anchor分配到具有最高IoU的GT上，为了让EM算法更加高效，我们从每个特征level上选择了topk个anchor，然后进行EM的估计，topK之外的anchor被分配为负样本。

正样本数量是由这个概率分布自适应的决定的，这个是和其他不利用模型状态的分配方法的最大的区别。

总结一下我们这个方法，并将其嵌入到训练过程和目标函数中，如下：

2.2 IoU预测作为质量评分

在训练的时候，anchor的得分是从训练目标中得到的（包括两种loss），但是在推理的时候，NMS只使用分类的得分，为了改进这个问题，可以预测一个质量得分，这样，训练时候的评分函数可以直接用到推理的NMS的时候。这只需要一个额外的卷积层就可以实现，用sigmoid进行激活，得到合理范围内的IoU的预测，训练目标现在变成：