End-to-End Object Detection with Transformers

End-to-End Object Detection with Transformers

会议：2020 ECCV

论文：https://arxiv.org/abs/2005.12872

代码：https://github.com/facebookresearch/detr

创新点：

• \作者摒弃了基于anchor、NMS等这种需要手工设计的模块，和R-CNN系列、YOLO系列，以及其他anchor-free的方法都不同，减少检测器对先验性息和后处理的依赖，做到了真正的end2end。
• 使用类似机器翻译的序列预测思想，利用了transformer，其中的self- attention允许模型抑制重复的预测，跳出了目标检测的传统方法。

Instruction

将目标检测任务转化为一个序列预测（set prediction）的任务，没有使用two-stage方法的proposals，没有使用YOLO系列的先验框，也没有用到NMS。

总体的思路是：首先将图像输入到CNN中提取特征，特征+位置信息叠加后输入到tranformer中，输出固定个数的预测结果（一个GT对应一个预测结果）。训练过程中，用到了匈牙利算法和二分图匹配。

作者提出了DETR模块，使用transformer编码-解码器结构和二分图匹配的方法，由输入图像直接得到预测结果序列。transformer结构引入了自注意力机制，它的作用是在一个序列中，显式建模元素之间的所有成对的一种对应关系，使这些结构特别适合于一系列的预测。DETR一次性预测所有的object，整体的模型进行端到端训练，损失函数是在预测和GT上进行二分图匹配。因为是在集合上进行预测，为每一个预测结果分配一个GT，所以可以实现并行计算。

存在的问题：

1. DETR对大目标检测效果比较好，因为self-attention更关注全局信息，而对小目标检测效果比较差。可能的原因是transformer做的是全局运算
2. 训练时间长，16张V100卡要在COCO上训练500个epochs，5天，性能才可以比肩Faster R-CNN。

Related Works

集合预测

目前没有权威性的深度学习模型用来做集合预测，通常的策略就是设计一个基于匈牙利算法的loss，来做一个预测和GT之间的二分图匹配。

Transformer和并行解码

Transformer是一个用于机器翻译的自注意力机制模块，它通过扫描所有的序列来获得全局信息，优势是全局计算和perfect memory（可以理解为保存全局信息，以及占用内存小），所以它比RNN更适合长序列。

作者将transformer和并行解码结合起来，平衡计算成本和全局计算能力的trade-off，取一个合适的权重。

目标检测

无论是two-stage还是one-stage，先验anchor都很影响检测的结果，作者直接去掉了这些需要手动设计的预检测模块，不在先验anchor上进行预测，而是直接通过一组absolute box直接预测输入图片。

The DETR model

集合预测中的两个关键元素：

1. loss是一个集合，其中的元素是每个预测与GT之间的匹配
2. 模型架构可以预测一组objects并建模它们之间的关系

集合预测损失函数

DETR输出N（通常比实际目标个数要多）个预测结果，一个主要的困难就是给预测的目标打分，包括类别、位置、尺寸。

• $y$：GT的集合，如果不足N个，则用$\varnothing$补齐
• $\hat{y}$：N个预测的集合

为了实现这个二分图匹配，需要找到损失最小的匹配顺序$\hat{\theta }$