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常规的目标检测往往是根据图像的特征来捕捉出目标信息#xff0c;那么是否有办法加入一些先验信息来提升目标检测的精准度#xff1f;
一种可行的思路是在目标检测的输出加入目标之间的关联信息#xff0c;从而对目标进行干涉。
2017年8月#xff0c;新加波管理大学…前言
常规的目标检测往往是根据图像的特征来捕捉出目标信息那么是否有办法加入一些先验信息来提升目标检测的精准度
一种可行的思路是在目标检测的输出加入目标之间的关联信息从而对目标进行干涉。
2017年8月新加波管理大学的Yuan Fang等人发表了一篇文章《Object Detection Meets Knowledge Graphs》就按照这个思路做了一些工作。
论文地址https://www.ijcai.org/proceedings/2017/0230.pdf
文章写得非常通俗易懂因此本文进行思路解读和代码复现。
工作架构
这篇文章作者提出的是一个通用的知识引入架构因此对于任何目标检测模型都可以适用。
知识引入的流程图如下图所示 原论文作者采用的是Faster R-CNN算法进行检测正常检测输出结果会是一个P矩阵(即图中的Existing model output)这里的列表示总共的目标数行表示类别。
图中的这个矩阵意义是第一个检测目标属于类别1的置信度为0.6属于类别2的置信度为0.4第二个检测目标属于类别1的置信度为0.2属于类别2的置信度为0.8
在这个输出结果基础上从先验知识(Knowledge)中提取出类别之间的语义一致性(semantic consistency)从而对输出结果进行干涉得到最终的输出结果(Knowledge-aware output)。
语义一致性提取
那么这套架构的关键就是如何提取语义一致性这一点作者给出了两种思路。
思路一基于频率的知识(Frequency-based knowledge)
基于频率应该是最容易想到的知识关联方式比如两个目标同时出现的频率高(比如键盘和鼠标经常一起出现)那么检测出其中一个目标时自然可以考虑增加另一个目标的置信度。
因此作者提出了一个对阵矩阵S作为目标类别之间的语义一致性矩阵计算公式如下 n(l,l’)类别l和类别l‘一起出现的次数n(l)类别l出现的次数n(l’)类别l’出现的次数N所有类别出现的总次数
思路二基于知识图谱的知识(Graph-based knowledge)
思路一的方式比较直观不过存在的缺陷是无法表征两个没有同时出现过的类别之间的关系。比如车和游艇没有在一个场景中同时出现但不能“粗暴”的认为这两者毫无关联吧肯定需要一个微弱的权值来表示两者之间的关系。
因此作者想到了用知识图谱的方式来提取语义一致性。
首先通过对一些公开的大型知识图谱进行过滤提取出需要检测的类别信息和关系。 之后通过重启随机游走算法(random walk with restart)来得到该关系图的收敛状态。重启随机游走算法是经典的随机游走算法的一个变种相当于在随机游走算法的基础上添加了一个重启概率触发重启后会回到原点。 收敛之后会得到一个R矩阵这个矩阵表征了当算子处于某个状态类别时向另一状态类别转移的概率。由于语义一致性矩阵是对称矩阵因此作者采用了一个状态相乘再开方的操作。 干涉检测输出
有了语义一致性矩阵S之后就可以对输出结果进行干涉。论文中对于如何进行干涉并没有说明。 通过后面阅读源码可知干涉的思路主要是选取某目标类别最邻近的5个类别然后对其一致性矩阵数值求和得到关联性特征向量。再将该向量和原始检测结果进行加权相加。
核心代码
num torch.sum(torch.mm(S_highest, torch.transpose(p_hat_temp[box_nearest[b]], 0, 1)), 1)
denom torch.sum(S_highest, dim1) * bk
p_hat[b] (1 - epsilon) * torch.squeeze(torch.div(num, denom)) epsilon * p这里的epsilon代表权重复现时取0.75表示75%保留原始结果25%进行知识干涉。
后面一部分就是损失函数以及网络更新部分了。 下面是损失函数的计算公式相当于将知识嵌入的结果纳入到网络的更新之中。
实验结果
作者在Coco和VOC数据集上进行了实验下表是coco的实验结果 FRCNN原始检测网络输出结果KF-500通过思路一来获得一致性矩阵选择500张训练集图片KF-All通过思路一来获得一致性矩阵选择所有训练集图片KG-CNet通过思路二来获得一致性矩阵
从表中数据可知该思路的改进对检测输出的mAP并没有起到提升作用不过有效提升了召回率。相当于降低了网络的误检率。
结果可视化
最后是结果的可视化作者选取了一幅图来演示左图是直接检测结果右图是添加知识图谱之后的检测结果。
紫框表示模型的检测输出红框表示实际的标签。
由图可知原始的FRCNN没有检测出键盘(keyboard)添加知识图谱后通过鼠标、笔记本等目标的关联信息成功将键盘检测出来。
实验复现
原论文发布时间较早使用Caffe框架进行实验目前已无法找到。 后面有人使用Pytorch对其进行复现。 代码地址https://github.com/tue-mps/rescience-ijcai2017-230
复现结论
复现作者提到 对于所描述的任何一种方法作者的主张都无法得到证实。结果要么显示以 mAP 降低为代价的召回率增加要么显示 mAP 保持不变召回率没有改善。三种不同的骨干模型在重新优化后表现出相似的行为结论是知识感知的重新优化对目标检测算法没有好处。 不清楚是否是超参数的影响总之论文的效果无法实现。
代码运行
该代码写得比较清晰并且作者提供了处理好的数据集和语义一致性矩阵。 下载好之后放置路径如下即可
之后修改Utils/testing.py里面这三行内容我测试的时候遇到的小bug
# 原始
# boxes_temp prediction[1][0][boxes]
# labels_temp prediction[1][0][labels]
# scores_temp prediction[1][0][scores]
# 修改为
boxes_temp prediction[0][boxes]
labels_temp prediction[0][labels]
scores_temp prediction[0][scores]最后运行Results/results_coco.py即可进行单轮测试。
实验结果
由于原论文作者使用的是VGG16作为backbone因此这里model_type我设置为coco-FRCNN-vgg16下面是在我RTX2060下用Coco数据集的实验结果
模型mAP 100Recall 100 all classesFRCNN0.2470.477KF-All-COCO0.2450.432KG-CNet-55-COCO0.2430.436KG-CNet-57-COCO0.2430.437
FRCNNFast-RCNN直接检测KF-ALL-COCO思路一获取语义一致性矩阵KG-CNet-55-COCO思路二通过大型常识知识库ConceptNet-assertions55提取一致性矩阵KG-CNet-57-COCO思路二通过大型常识知识库ConceptNet-assertions57提取一致性矩阵
从结果来看的确没什么卵用mAP和Recall均下降了。。
