匈牙利算法：Kuhn, H. W. “The Hungarian Method for the Assignment Problem.” Naval Research Logistics Quarterly, pp. 83–97, https://doi.org/10.1002/nav.3800020109.

DETR：Carion, Nicolas, et al. “End-to-End Object Detection with Transformers.” Computer Vision – ECCV 2020,Lecture Notes in Computer Science, 2020, pp. 213–29, https://doi.org/10.1007/978-3-030-58452-8_13.

记录下今天讨论的问题。感想是，交流有助于理解，一些可能需要很久能想通的问题(=-=)

DETR

目标检测=集合预测

新目标函数：理想情况下每个物体只生成一个框（二分图匹配）
使用了Transformer，额外有learned pbject query(类似anchor)
并行（无法自回归），实效性高

DETR流程：先使用CNN提取特征，拉直特征，进入Transformer

Transformer作用：进一步学习全局的信息。

encoder：每一个点/特征与图片中其他特征进行交互。这样就能大概知道哪块是哪个物体，全局的特征有利于移除冗余的框。
decoder：额外输入object query限定出多少个框(有点像anchor)

e.g.比如object query=100,那么就会固定输出100个框，然后使用二分图匹配的方法，找到对应(合适)的框，比如上图中，就只找到了两个框是对应的；那么剩下的98个框都被标记为”No object”。

推理：前面步骤一致，得到100个框。但是没有匹配的过程，直接在输出的100个框这里用阈值卡输出的置信度。比如置信度>0.7的作为前景物体。

缺陷：大物体结果好(归因于使用了Transformer)；小物体结果不行。Deformable DETR解决了。

相关工作：集合预测+Transformer-Parallel+目标检测

Learnable NMS等等使用人工干预。基于集合的目标函数。DETR不想用过多的先验知识。

模型架构

DETR的模型的输出，是一个固定的集合。

假如输入图片是3x800x1066—CNN—>2048x25x34—1x1降维—>256x25x34+位置编码256x25x34

—$\bigoplus$—>850x256—Transformer Encoder—>850x256(作为KV)

Q:100x256+KV:800x256—Transformer Decoder—>100x256—FFN(100个)

全连接层FFN进行两种预测：出框1x4+类别预测COCO:1x91

出框+分类后，使用匈牙利算法计算loss，梯度反向回传，进行更新模型。

object query自注意力操作：不能省、移除冗余框。
计算loss：为了计算更稳定，在每个decoder后面加了auxiliary loss。

目标函数

$\hat{\sigma}=\underset{\sigma\in\mathfrak{S}_N}{\arg\min}\sum_{i}^{N}\mathcal{L}_{\text{match}}(y_i,\hat{y}_{\sigma(i)})$

其中，$\hat{\sigma}$是要优化求解的一个排列，$\mathfrak{S}_N$表示$N$个元素的所有排列的集合。$\arg\min$表示取使得后面求和式最小的$\sigma$值。$\mathcal{L}_{\text{match}}(y_i,\hat{y}_{\sigma(i)})$是一个匹配损失函数，用于衡量真实值 $y_i$ 和经过排列$\sigma$后的预测值$\hat{y}_{\sigma(i)}$之间的差异，$i$从$1$到$N$进行求和。

$\mathcal{L}_{\text{match}}(y_i,\hat{y}_{\sigma(i)})=-\mathbb{1}_{\{c_i\neq\varnothing\}}\hat{p}_{\sigma(i)}(c_i)+\mathbb{1}_{\{c_i\neq\varnothing\}}\mathcal{L}_{\text{box}}(b_i,\hat{b}_{\sigma(i)})$

其中，$\mathbb{1}_{\{c_i\neq\varnothing\}}$是指示函数，当条件$c_i\neq\varnothing$成立时，函数值为$1$，否则为$0$。$\hat{p}_{\sigma(i)}(c_i)$ 是与类别相关的预测概率，$\mathcal{L}_{\text{box}}(b_i,\hat{b}_{\sigma(i)})$是用于衡量边界框 $b_i$（真实边界框）和$\hat{b}_{\sigma(i)}$（预测边界框）之间差异的损失函数。

$\mathcal{L}_{\text{Hungarian}}(y,\hat{y})=\sum_{i = 1}^{N}\left[-\log\hat{p}_{\hat{\sigma}(i)}(c_i)+\mathbb{1}_{\{c_i\neq\varnothing\}}\mathcal{L}_{\text{box}}(b_i,\hat{b}_{\hat{\sigma}(i)})\right]$

这是我们的真·目标函数。$\mathcal{L}_{\text{Hungarian}}(y,\hat{y})$表示匈牙利匹配损失函数，$y$和$\hat{y}$分别代表真实值和预测值集合。对$i$从$1$到$N$进行求和，每一项中$-\log\hat{p}_{\hat{\sigma}(i)}(c_i)$ 可能是对类别预测概率取负对数，$\mathbb{1}_{\{c_i\neq\varnothing\}}\mathcal{L}_{\text{box}}(b_i,\hat{b}_{\hat{\sigma}(i)})$含义同第二个公式中对应部分，即根据条件决定是否计算边界框损失。

代码

import torch
from torch import nn
from torchvision.models import resnet50


class DETR(nn.Module):
    def __init__(self, num_classes, hidden_dim, nheads,
                 num_encoder_layers, num_decoder_layers):
        super().__init__()
        # 使用预训练的ResNet50作为主干网络backbone，取其前若干层
        self.backbone = nn.Sequential(*list(resnet50(pretrained=True).children())[:-2])
        # 调整特征维度的卷积层--投射层--1x1降维
        self.conv = nn.Conv2d(2048, hidden_dim, 1)
        # Transformer模块
        self.transformer = nn.Transformer(hidden_dim, nheads,
                                          num_encoder_layers, num_decoder_layers)
        # FFN1：类别预测，输出类别数 + 1（包含背景类）
        self.linear_class = nn.Linear(hidden_dim, num_classes + 1)
        # FFN2：边界框预测，输出4个坐标值(x,y,w,h)
        self.linear_bbox = nn.Linear(hidden_dim, 4)
        
        # 用于查询的位置编码参数
        self.query_pos = nn.Parameter(torch.rand(100, hidden_dim))
        # 列方向的位置编码参数
        self.col_embed = nn.Parameter(torch.rand(50, hidden_dim // 2))
        # 行方向的位置编码参数
        self.row_embed = nn.Parameter(torch.rand(50, hidden_dim // 2))

    def forward(self, inputs):
        # 通过主干网络提取特征
        x = self.backbone(inputs)
        # 调整特征维度
        h = self.conv(x)
        H, W = h.shape[-2:]
        # 计算位置编码
        pos = torch.cat([
            self.col_embed[:W].unsqueeze(0).repeat(H, 1, 1),
            self.row_embed[:H].unsqueeze(1).repeat(1, W, 1),
        ], dim=-1).flatten(0, 1).unsqueeze(1)
        # 将特征输入Transformer模块处理--100x256
        h = self.transformer(h.flatten(2).permute(2, 0, 1), self.query_pos.unsqueeze(1))
        # 预测类别得分和边界框坐标
        return self.linear_class(h), self.linear_bbox(h).sigmoid()


# 创建模型实例--COCO:91类，隐含层:256,多头自注意力:8个，Encoder/Decoder=6层
detr = DETR(num_classes=91, hidden_dim=256, nheads=8, num_encoder_layers=6, num_decoder_layers=6)
# 设置模型为评估模式
detr.eval()
# 创建随机输入数据
inputs = torch.randn(1, 3, 800, 1200)
# 前向传播得到预测结果
logits, bboxes = detr(inputs)