CVPR2019目标检测论文看点：并域上的广义交

Generalized Intersection over Union

Generalized Intersection over Union: A Metric and A Loss for BoundingBox Regression

并域上的广义交Intersection over Union（IOU）是目标检测标准最流行的评估手段。可是，使用boundingbox回归参数方法计算距离误差和最大化度量值优化之间有一个缺陷gap。度量优化目标是度量本身，在2D bounding boxes轴对齐情况下，IOU可直接用作回归loss。但是，IOU有一个困难，在没有重叠的bounding boxes情况下不容易优化。本文，通过使用一种新的loss和新的度量metric版本来消除这个缺陷。使用融合这种推广的IOU（GIOU）作为loss导入目标检测框架的手段，使得检测性能得到持续的改进，使用两种方法，standard-IOU和新的IOU，也就是诸如PASCAL VOC和MS COCO这种基于通用的的目标检测信性能优化算法。

先看看论文的实验示例演示效果。

下面来介绍具体的算法原理

1. Motivation

包围框回归是2D/3D 视觉任务中一个最基础的模块，不管是目标检测，目标跟踪，还是实例分割，都依赖于对bounding box进行回归，以获得准确的定位效果。目前基于深度学习的方法想获得更好的检测性能，要么是用更好的backbone，要么是设计更好的策略提取更好的feature,然而却忽视了bounding box regression中L1、L2 loss这个可以提升的点。

IoU是目标检测中一个重要的概念，在anchor-based的方法中，他的作用不仅用来确定正样本和负样本，还可以用来评价输出框（predict box）和ground-truth的距离，或者说predict box的准确性。IoU有一个好的特性就是对尺度不敏感（scale invariant）。

在regression任务中，判断predict box和gt的距离最直接的指标就是IoU，但所采用的loss却不适合，如图所示，在loss相同的情况下，regression的效果却大不相同，也就是说loss没有体现出regression的效果，而IoU却可以根据不同的情况得到不同的数值，能最直接反应回归效果。

2.Method

因此本文提出用IoU这个直接的指标来指导回归任务的学习。与其用一个代理的损失函数来监督学习，不如直接用指标本身来的好。此时损失函数为：

但直接用IoU作为损失函数会出现两个问题：

• 如果两个框没有相交，根据定义，IoU=0，不能反映两者的距离大小（重合度）。同时因为loss=0，没有梯度回传，无法进行学习训练。
• IoU无法精确的反映两者的重合度大小。如下图所示，三种情况IoU都相等，但看得出来他们的重合度是不一样的，左边的图回归的效果最好，右边的最差。

针对IoU上述两个缺点，本文提出一个新的指标generalized IoU（GIoU）：

GIoU的定义很简单，就是先计算两个框的最小闭包区域面积，再计算IoU，再计算闭包区域中不属于两个框的区域占闭包区域的比重，最后用IoU减去这个比重得到GIoU。GIoU有如下4个特点：

与IoU相似，GIoU也是一种距离度量，作为损失函数的话， ,满足损失函数的基本要求

• GIoU对scale不敏感
• GIoU是IoU的下界，在两个框无线重合的情况下，IoU=GIoU
• IoU取值[0,1]，但GIoU有对称区间，取值范围[-1,1]。在两者重合的时候取最大值1，在两者无交集且无限远的时候取最小值-1，因此GIoU是一个非常好的距离度量指标。
• 与IoU只关注重叠区域不同，GIoU不仅关注重叠区域，还关注其他的非重合区域，能更好的反映两者的重合度。

其实GIoU不仅定义简单，在2D目标检测中计算方式也很简单，计算重合区域和IoU一样，计算最小闭包区域只需要得到两者max和min坐标，坐标围城的矩形就是最小闭包区域。

GIoU和IoU作为loss的算法如下所示：

步骤：

• 分别计算gt和predict box的面积
• 计算intersection的面积
• 计算最小闭包区域面积
• 计算IoU和GIoU
• 根据公式得到loss

3. Experiments

GIoU loss可以替换掉大多数目标检测算法中bounding box regression，本文选取了Faster R-CNN、Mask R-CNN和YOLO v3 三个方法验证GIoU loss的效果。实验在Pascal VOC和MS COCO数据集上进行。

实验效果如下：

可以看出YOLOv3在COCO上有明显涨点，但在其他模型下涨点并不明显，作者也指出了faster rcnn和mask rcnn效果不明显的原因是anchor很密，GIoU发挥作用的情况并不多。

总体来说，文章的motivation比较好，指出用L1、L2作为regression损失函数的缺点，以及用直接指标IoU作为损失函数的缺陷性，提出新的metric来代替L1、L2损失函数，从而提升regression效果，想法简单粗暴，但work的场景有很大局限性。