ICLR 2022 | 将Anchor box重新引入DETR，提供query可解释性并加速收敛

©作者 | 刘世隆

单位 | 清华大学

研究方向 | 计算机视觉

本文分享一下我们 ICLR 2022 的文章 DAB-DETR， 我们将在这里介绍文章的主要内容，以及我们对于目标检测问题的思考。

论文标题：

DAB-DETR: Dynamic Anchor Boxes are Better Queries for DETR

论文链接：

https://arxiv.org/abs/2201.12329

ReadPaper链接：

https://readpaper.com/paper/4588454363555438593

代码链接：

https://github.com/IDEA-Research/DAB-DETR

这篇文章知乎上已经有不少很棒的解读，非常详细和有启发性，大家也可以一同食用：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/560513044

https://zhuanlan.zhihu.com/p/494600828

非常感谢上面作者的详细解读。

我们的代码已经开源。另外我们提供了官方的基于 Transformer 检测工具包 detrex，这一工具包包含了 DETR，Deformable DETR，Conditional DETR，DAB-DETR，DN-DETR，以及在 COCO 获得了 63.3AP 的 DINO，并将进一步支持更多的 DETR 类模型：

https://github.com/IDEA-Research/detrex

TL;DR

DAB-DETR 提出了一种新的建模 DETR 中 query 的方式，使用 4 维的 anchor box，这一建模方式不仅使得 DETR query 有了可解释性，同时作为位置先验可以加速模型收敛，以及利用 box 的尺度信息调制注意力图。

这一建模方式也将 DETR 类模型和传统的 two-stage 模型如 Faster RCNN 联系了起来。decoder 中 cross-attention 的作用类似于 ROI pooling 或者 ROI align，我们称之为 soft-ROI pooling。

模型性能：

我们的 formulation 可以使用在原始 DETR 或者 Deformable DETR 上，都能相比于原始模型带来很大的增益。另外，基于我们新的算法库 detrex 的模型带来了更好的结果。

文章内容简述

2.1 动机和分析

DETR 作为首个使用 Transformer 做目标检测的模型，非常具有创新性。他将目标检测建模成集合预测的任务，即输入一组（如 100 个）learnable 的 query，然后输入对应数量（如 100 个）的物体预测结果。在训练过程中，使用二分图匹配预测和标签进行训练，而测试时不需要后处理（如 nms）即可产生所有结果。

尽管很简单、优雅，但是 DETR 存在两个问题，一是 query 含义并不清楚，不可解释，二是模型收敛慢。我们在这篇文章里主要希望解决两个问题。本来这应该是两个独立问题，不过后来我们发现，DETR 收敛慢很大程度上来自于 query 含义的不明。

DETR中的query

在原始的 DETR 文章中的 object query 画的比较简单，可能会让人觉得 query 就是一组向量：

▲ 原始DETR中的框图

然而实际上 object query 应该有两部分组成，我们称之为 content query 和 positional query（这里感谢 conditional detr，这两个名字由他们提出。）我们这里画出来了 encoder 和 decoder 中的 attention 的组成部分。

▲ encoder和decoder的attention部分

可以看到，encoder 和 decoder 里 attention 和 query 和 key 都是由两部分组成的，比如 encoder 里的 query 分别来自于图像特征（包含语义信息）和位置编码（包含位置信息），因此这两部分分别称为 content query（对应图像特征）和 positional query（对应位置编码）。key 和 query 完全相同。value 只有图像特征这一语义部分。

再看 decoder，decoder 的 key 和 value 与 encoder 的组成完全相同，但是 query 则不同。query 的语义部分来自于 decoder embeddings，对应上层的输入，是由图像特征组合来的。而位置部分则来自于 learnable queries，这是与我们看 DETR 的框架图后的第一反应不同的。因此 decoder 的 learnable query 实际指代的是位置信息。

2.2 Cross-attention的作用与soft-ROI pooling

接下来我们想来说明一下 cross-attention 在做什么，以及与传统的 Faster RCNN 之间的关系。

▲ attention & soft ROI pooling

我们看到，在 attention 模块中，query 和 key 计算相似度，同时考虑了 content 信息和 positional 信息，计算出一个注意力图，然后使用这个注意力图从原始图片特征中提取特征。

这个步骤非常类似于传统两阶段检测器中的 ROI pooling（或者 ROI align）。但是由于注意力图是有 query 和 key 共同决定的，并不局限于物体框内信息，我们称之为 Soft ROI pooling。

2.3 将query建模成anchor box

learnable query 不够好

既然了解了 attention 及 decoder 的作用，下面我们看原始的 detr 中 query 问题在哪。

我们发现，原始的 learnable query 学习到的特征并不够好，即不能提供 soft roi pooling 中所需的 roi 信息。

▲ 训练前后的位置注意力图

如图，训练前后的 learnable query 产生的位置注意力图仍然存在多模式、退化解等现象，并不能为 soft roi pooling 提供 roi 的信息。

那么很自然的，我们意识到，要为 cross attention 提供更好的位置先验，提供更好的 roi region。很自然的，传统两阶段检测器中的 anchor box 可以引入到模型中作为位置先验。

引入anchor box作为query提供位置先验

▲ 从DETR到DAB-DETR

将 anchor box 引入之后的好处有：

• query 有了可解释性。

• 为模型提供了位置先验，加速收敛。

• anchor box 中的位置信息可以用来调制注意力图。

• anchor box 可以层与层进行更新。

anchor box 直接提供了 roi 区域用来做 soft roi pooling，因而这一描述也更加的自然。

模型改进简述

我们将我们的模型和 DETR&Conditional DETR 的对比列了出来。我们核心改进有：

• 直接学习 anchor box 作为 query

• 使用正余弦编码后的 x,y 作为 positional query

• 使用 w,h 调制注意力图

• 层与层更新 anchor box

2.4 DAB-Deformable-DETR

我们的建模方式也是通用的，我们将 anchor box 的建模方式用到 deformble DETR 里，依然能带来性能的提升。

2.5 DETR类模型对比

我们在文章里做了很多对比，包括将 DAB-DETR 和之前的 DETR 系列做对比：

▲ DETR 类模型的对比

DAB-DETR & Faster RCNN

这里其实更想和大家分享关于 DETR 和传统检测器进行对比。从我们的讨论中我们看到，DETR 中的 encoder 起到了特征增强的作用，类似于一个 non-local 的模块。

而更令人着迷的 decoder 则起到了类似于 two-stage 模型中 ROI head 的作用，通过 Soft ROI pooling 的方式不断从特征图中采集特征，进行 box 的回归。而多个 decoder layer 又起到了类似于 cascade RCNN，类似于级联的 ROI head 的效果。

那么现在来看除了结构上（Transformer 和卷积）以外，DAB-DETR 和 Faster RCNN 还有哪些区别：

一是 box 产生的方式。Faster RCNN 来自于 RPN，而 DAB-DETR 来自于 learnable 的 anchor box（从这个意义上 DAB-DETR 更像是 Sparse RCNN）。那如果我们也将 DAB-DETR 的 anchor box 来自一个 RPN 或者 encoder 输出（Deformble DETR 已经做了），我们也可以构造一个 two stage 的 DAB-DETR，也会有更好的性能。

二是标签分配的方式。DETR 类模型的匹配是匈牙利匹配，one-to-one，同时考虑 content 和 position，在 layer 之后；而 Faster RCNN 是 one-to-many（一个 gt 可能对应多个 anchor），只考虑 position，在 layer 之前。

那么最理想的匹配方式是什么？有没有更好的匹配方案？也是一个值得研究的问题。这里推荐 peize 大佬的一篇文章 What Makes for End-to-End Object Detection? 很有启发意义。

综上，DETR 结构也可以看做是一种 two stage 模型，只是用了不同的模型结构（Transformer）和标签分配方式（匈牙利匹配）。

写在最后

我们后续又提出了 DN-DETR，DINO 等工作：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/478079763

https://zhuanlan.zhihu.com/p/540786844

也欢迎大家试用我们的 detrex 工具包：

https://github.com/IDEA-Research/detrex

我们充分相信 Transformer-based/DETR 类模型将会称为目标检测带来更广泛的影响，希望更多人来一同推动这一领域的发展。

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