Focal-EIOU Loss：用于精确边界框回归的高效IOU损失

2024-01-31 21:04:28

损失函数之Focal-EIoU Loss:

本文是复现的是CVPR2020的一篇关于边界框损失函数文章：Focal and Efficient IOU Loss for Accurate Bounding Box Regression。
在Focal-EIoU Loss这篇论文中，作者提出CIoU中的相对比例存在若干问题，因此提出了更为直接的使用边长作为惩罚项。
此外为了解决低质量样本造成的损失值剧烈震荡的问题，这篇论文设计了一个用于回归的Focal Loss。最后将这两个损失结合，构成了文章题目中的Focal-EIoU Loss。

前言

总所周知，目标检测通过Bounding box回归来预测来定位图像中的目标，早期的目标检测工作使用IoU作为定位损失。然而，当预测框与Ground truth不重叠时，IoU损失会出现梯度消失问题，导致收敛速度减慢，导致检测器不准确。这激发了几种改进的基于IoU的损失设计，包括GIoU、DIoU、CIoU。GIoU在IoU损失中引入惩罚项以缓解梯度消失问题，而DIoU和CIoU在惩罚项中考虑了预测框与Ground truth 之间的中心点距离和宽高比。
在本文中，作者提出大多数先前的边界框损失函数都有两个主要缺点：
1.基于ln-norm和基于IOU的损失函数都无法有效地描述BBR的目标，从而导致收敛缓慢且回归结果不准确。
2.大多数损失函数都忽略了边界框中的不平衡问题，即与目标框重叠较少的大量锚框对边界框的优化起了最大作用。
提出了一种有效的Efficient Intersection over Union (EIOU)损失，它明确地测量了边界框中三个几何因素的差异，即重叠面积，中心点和边长。

之后又分析了Effective Example Mining (EEM) 问题，并提出Focal loss的回归版本，以使回归过程专注于高质量锚框。最后，将以上两个部分结合起来得到一个新的损失函数，即Focal-EIOU损失。

经验表明，在多个目标检测数据集和模型上，Focal-EIoU损失优于现有的基于IoU的损失，并为小数据集和噪声Box提供更强的鲁棒性。

EIoU Loss及Focal-EIoU Loss表达式

大家可以看到Focal-EIoU Loss其实非常简单，在IOU及惩罚项表达式中加入了边长损失Lasp。可以看出EIoU是直接将边长作为惩罚项的，这样也能一定程度上解决我们在DIoU一文中分析的DIoU Loss可能的边长被错误放大的问题。
通过整合EIoU Loss和FocalL1 loss，最终得到了最终的Focal-EIoU loss，其中 γ是一个用于控制曲线弧度的超参。

Focal-EIoU Loss代码

原文中作者做了大量的实验来证明Focal-EIOU Loss的有效性，在训练中取得了比较好的效果，实现的话是通过修改iou_loss.py在ppdet/modeling/losses/iou_loss.py这个位置的损失函数，通过修改iou_loss.py一行代码即可开始训练，代码如下：

from __future__ import absolute_import
from __future__ import division
from __future__ import print_function

import numpy as np

import paddle

from ppdet.core.workspace import register, serializable
from ..bbox_utils import bbox_iou

__all__ = ['IouLoss', 'GIoULoss', 'EIouLoss']

@register
@serializable
class Focal_EIoU_Loss(GIoULoss):
    """
    Distance-IoU Loss, see https://arxiv.org/abs/1911.08287
    Args:
        loss_weight (float): giou loss weight, default as 1
        eps (float): epsilon to avoid divide by zero, default as 1e-10
        use_complete_iou_loss (bool): whether to use complete iou loss
    """

    def __init__(self, loss_weight=1., eps=1e-10, use_complete_iou_loss=True):
        super(DIouLoss, self).__init__(loss_weight=loss_weight, eps=eps)
        self.use_complete_iou_loss = use_complete_iou_loss

    def __call__(self, pbox, gbox, iou_weight=1.):
        x1, y1, x2, y2 = paddle.split(pbox, num_or_sections=4, axis=-1)
        x1g, y1g, x2g, y2g = paddle.split(gbox, num_or_sections=4, axis=-1)
        cx = (x1 + x2) / 2
        cy = (y1 + y2) / 2
        w = x2 - x1
        h = y2 - y1

        cxg = (x1g + x2g) / 2
        cyg = (y1g + y2g) / 2
        wg = x2g - x1g
        hg = y2g - y1g

        x2 = paddle.maximum(x1, x2)
        y2 = paddle.maximum(y1, y2)

        # A and B
        xkis1 = paddle.maximum(x1, x1g)
        ykis1 = paddle.maximum(y1, y1g)
        xkis2 = paddle.minimum(x2, x2g)
        ykis2 = paddle.minimum(y2, y2g)

        # A or B
        xc1 = paddle.minimum(x1, x1g)
        yc1 = paddle.minimum(y1, y1g)
        xc2 = paddle.maximum(x2, x2g)
        yc2 = paddle.maximum(y2, y2g)

        intsctk = (xkis2 - xkis1) * (ykis2 - ykis1)
        intsctk = intsctk * paddle.greater_than(
            xkis2, xkis1) * paddle.greater_than(ykis2, ykis1)
        unionk = (x2 - x1) * (y2 - y1) + (x2g - x1g) * (y2g - y1g
                                                        ) - intsctk + self.eps
        iouk = intsctk / unionk

        # DIOU term
        dist_intersection = (cx - cxg) * (cx - cxg) + (cy - cyg) * (cy - cyg)
        dist_union = (xc2 - xc1) * (xc2 - xc1) + (yc2 - yc1) * (yc2 - yc1)
        diou_term = (dist_intersection + self.eps) / (dist_union + self.eps)

        
        # EIOU term
        c2_w = (xc2 - xc1) * (xc2 - xc1) + self.eps
        c2_h = (yc2 - yc1) * (yc2 - yc1) + self.eps
        rho2_w = (w - wg) * (w - wg)
        rho2_h = (h - hg) * (h - hg)
        eiou_term = (rho2_w / c2_w) + (rho2_h / c2_h)        

        #Focal-EIOU
        eiou = paddle.mean((1 - iouk + diou_term + eiou_term) * iou_weight)
        focal_eiou = iouk**0.5 * eiou
        return focal_eiou * self.loss_weight

对 Focal-EIoU Loss性能进行验证

（1）git PaddleDetection目标检测套件

!git clone https://github.com/PaddlePaddle/PaddleDetection.git

%cd PaddleDetection/

（3）安装依赖

!pip install -r requirements.txt -i https://mirror.baidu.com/pypi/simple
!pip install paddleslim==2.2.1

（4）本次实验使用了PaddleDetection套件提供的交通路标数据集，所使用的模型是PP-PicoDet模型中的picodet_s_320_coco进行实现，学习率均设置为0.01，优化器为Momentum，L2正则项为0.00004，加载与预训练参数，对比了GIOU、Focal-EIoU_Loss
（5）数据集可以按照以下进行配置：

（6）默认版本为GIOU，训练完成后分别修改configs/picodet/base/picodet_esnet.yml中loss_bbox的name为Focal_EIoU_Loss，以及按照上述修改iou_loss.py，完成对比训练。
```
  loss_bbox:

  	name: Focal_EIoU_Loss

  	loss_weight: 2.0
```

!python tools/train.py -c configs/picodet/picodet_s_320_voc.yml --eval --use_vdl=True --vdl_log_dir='./output_vdl'

GIOU、Focal-EIOU训练mAP可视化

绿色曲线为GIOU
蓝色曲线为Focal-EIOU

GIOU、Focal-EIOU可视化细节

总结

实验结果表明：

引入的边长损失以及Focal L1损失函数的设计增加了IoU目标的损失和梯度，进而提高了bbox回归精度。
Focal L1损失函数它根据猜想的损失函数梯度所具有的属性，设计了损失函数的梯度，再反向积分得到这个损失函数起到了很好的效果。
但是实验表明Focal_EIOU并不存在某个损失函数在所有数据集上碾压其它损失函数,还要依赖于数据集的分布，锚点框的设计，检测算法的设计等等诸多因素，在特定的任务下需要多做尝试才能知道选择哪个边界框损失函数。

请点击此处查看本环境基本用法.

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损失函数之Focal-EIoU Loss:

前言

EIoU Loss及Focal-EIoU Loss表达式

Focal-EIoU Loss代码

对 Focal-EIoU Loss性能进行验证

GIOU、Focal-EIOU训练mAP可视化

GIOU、Focal-EIOU可视化细节

总结

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