目标检测 | ATSS，正负样本的选择决定检测性能

论文信息

论文标题：《通过自适应训练样本选择弥合基于锚点和无锚点检测之间的差距》

@inproceedings zhang2020bridging,
  title={Bridging the gap between anchor-based and anchor-free detection via adaptive training sample selection},
  author={Zhang, Shifeng and Chi, Cheng and Yao, Yongqiang and Lei, Zhen and Li, Stan Z},
  booktitle={Proceedings of the IEEE/CVF conference on computer vision and pattern recognition},
  pages={9759--9768},
  year={2020}
}

归纳总结

问题背景

论文指出，单阶段Anchor-Based和Center-Based Anchor-Free检测算法的性能差异主要来自于正负样本的选择策略不同。基于此问题，作者提出了ATSS（自适应训练样本选择）方法，该方法能够自动根据真实框（GT）的相关统计特征自适应地选择合适的样本，从而提升模型性能。

主要工作

指出Anchor-Free和Anchor-Based方法的根本差异主要来源于正负样本的选择；提出ATSS（自适应训练样本选择）方法来根据对象的统计特征自动选择正负样本；证明每个位置设定多个anchor是无用的操作；不引入其它额外的开销，在MS COCO上达到SOTA。

4.1 Anchor-Based和Anchor-Free的区别分析

由于FCOS是基于point进行预测，故可以认为就是一个像素位置有一个anchor。为了公平对比，将RetinaNet的anchor也设置为1个(#A=1)，将FCOS的训练策略移动到RetinaNet上面，可以发现性能依然是RetinaNet低于FCOS 0.8mAP。排除这个因素后，现在两个算法的区别是：

1. 正负样本定义；

2. 回归分支中从point回归还是从anchor回归；从point回归就是指的每个点预测距离4条边的距离模式，而从anchor回归是指的RetinaNet那种基于anchor偏移量回归的模式。

但作者通过实验分析可以知道，回归分支中从point回归还是从anchor回归对最终影响很小，反而是正负样本定义对结果影响最大。

4.2 ATSS算法流程如下：

论文提出ATSS方法，该方法根据目标的相关统计特征自动进行正负样本的选择，具体逻辑如算法1所示。对于每个GT box g，首先在每个特征层找到中心点最近的k个候选anchor boxes（非预测结果），计算候选box与GT间的IoU U_g，计算IoU的均值m_g和标准差v_g，得到IoU阈值t_g=m_g+v_g，最后选择阈值大于t_g的box作为最后的输出。如果anchor box对应多个GT，则选择IoU最大的GT。

均值m_g表示预设的anchor与GT的匹配程度，均值高则应当提高阈值来调整正样本，均值低则应当降低阈值来调整正样本。标准差v_g表示适合GT的FPN层数，标准差高则表示高质量的anchor box集中在一个层中，应将阈值加上标准差来过滤其他层的anchor box，低则表示多个层都适合该GT，将阈值加上标准差来选择合适的层的anchor box，均值和标准差结合作为IoU阈值能够很好地自动选择对应的特征层上合适的anchor box。

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根据统计原理，大约16%的anchor box会落在[m_g+v_g,1]，尽管候选框的IoU不是标准正态分布，但统计下来每个GT大约有0.2×kL个正样本，与其大小和长宽比无关，而RetinaNet和FCOS则是偏向大目标有更多的正样本，导致训练不公平；其中ATSS仅有一个超参数k，并且实验表明ATSS的性能对k不敏感，参数k在区间[7,17]几乎是一样的，过大的设置会导致过多的低质量候选anchor，而过小的设置则会导致过少的正样本，而且统计结果也不稳定。总体而言，参数k是相对鲁棒的，所以ATSS几乎是hyperparameter-free的。

将ATSS应用到RetinaNet和FCOS上测试效果：

将RetinaNet中的正负样本替换为ATSS，AP提升了2.9%，这样的性能提升几乎是没有任何额外消耗的。在FCOS上的应用主要用两种：lite版本采用ATSS的思想，从选取GT内的anchor point改为选取每层离GT最近的top-k个候选anchor point，提升了0.8%AP；full版本将FCOS的anchor point改为长宽为8S的anchor box来根据ATSS选择正负样本，但仍然使用原始的回归方法，提升了1.4%AP。两种方法找到的anchor point在空间位置上大致相同，但是在FPN层上的选择不太一样。从结果来看，自适应的选择方法比固定的方法更有效。

论文还补充测试了不同anchor数下的性能，并且其实验结果证明，在每个位置设定多个anchor box是无用的操作，关键在于选择合适的正样本。

实验结果

参考文献

ATSS : 目标检测的自适应正负anchor选择，很扎实的trick | CVPR 2020 - 知乎 (zhihu.com)

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