[DIoU和CIoU AAAI2020] Distance-Io

原作者：Zhaohui Zheng等       笔记整理：ganyongdong 2021.02.05

论文：https://arxiv.org/pdf/1911.08287.pdf
代码：https://github.com/Zzh-tju/DIoU

1.摘要

• IoU损失和GIoU损失都存在收敛速度慢和回归不准确的问题
• 提出DIoU，结合了预测框和真实框之间的标准化距离，加快训练的收敛速度
• 提出CIoU，结合了重叠面积、中心点距离和纵横比，进一步提高收敛速度和检测精度
• 将DIoU损失和CIoU损失应用到当前流行的2D检测器，显著提高性能
• 将DIoU用作NMS标准，进一步提高检测器性能

2.存在的问题

• 之前对回归损失优化的情况：
  • 直接回归bbox对角点，L1或L2损失最优不代表IoU指标最优；
  • 于是提出IoU损失，直接对IoU进行优化，但是存在预测框与真实框不相交的时候IoU等于0的情况，无法优化；
  • 于是进一步提出广义IoU(GIoU)损失，在预测框与真实框不相交的时候也能继续优化；
• 文章提出，IoU损失和GIoU损失都存在收敛速度慢和回归不准确的问题

  • 当预测框被真实框完全包围的时候，IoU和GIoU都不变化，优化困难

    
    DIoU GIoU IoU对比

  • 如上图所示，红色预测框被绿色真实框完全包围时，不同情况下，IoU和GIoU都是相同的，但是用DIoU就能表示出第三个图预测位置最好

3.IoU和GIoU及loss

• IoU和
  
  
• GIoU和
  是和的最小包围矩形
  
  

4.DIoU loss

• 文章提出的DIoUU损失

  • 通用损失表示如下，其中是惩罚项
    
  • DIoU loss的惩罚项
    
  • DIoU loss表达式:
    
    • 可以看出，DIoU loss的惩罚项直接最小化两个中心点之间的距离。

• DIoU和GIoU对比分析

  
  diou giou示意图对比.png
  • 上图黑色是anchor，绿色是真实框，上一行三幅图中，蓝色是GIoU预测框随着迭代演变情况，下一行三幅图中，红色是DIoU预测框随着迭代演变情况。
  • 从图中可以看出，和不相交情况下，GIoU倾向于先把预测框变大，使 减小，变大过程直到和出现重叠，然后才是形状缩小，向着真实框演变，从这里就能分析出GIoU loss收敛慢的原因。
  • 而DIoU loss下，红色框是优先以中心距离为导向，让和的中心点靠近，然后形状变化向着真实框演变。所以DIoU loss收敛更快。
  • 另一方面，当真实框完全包含预测框的时候，GIoU loss无法继续优化，而DIoU loss凭借中心点距离存在可以继续优化。

5.CIoU loss

• 作者总结提出，一个良好的边框回归损失应该考虑到三个重要几何因素：重叠面积、中心点距离和纵横比
• IoU和GIoU损失注重重叠面积，文中的DIoU增加了中心点距离因素，因此文章进一步提出增加纵横比因素的CIoU(完整IoU)
• 文章提出的CIoU损失
  • CIoU loss的惩罚项
    
    • 其中是权重因子，是纵横比
      
      
    • CIoU loss表达式:
      

6.DIoU用于NMS

• 原始NMS中，IoU度量用于抑制冗余的检测框，IoU小于一定阈值的都删除，其中重叠区域是唯一因素；
• 对于遮挡等情况，经常会错误抑制，降低检测器性能；
• 提出将DIoU作为NMS准则，则不仅考虑到重叠区域，还考虑到了两个box中心点距离
• DIoU-NMS:
  • 当 时, 视为有效预测框，按得分进行排序。
  • 其中时预测框，是第i个真实框，是阈值。

7.实验

• DIoU yolov3

  
  diou yolov3.png

• DIoU SSD

  
  diou 实验0.png

• DIoU Faster R-CNN

  
  DIoU 实验1.png

• 性能都提升显著

• 注意到CIoU在小物体上的性能都有所下降，可能由于长宽比对小物体的检测贡献不大，因为此时中心点比长宽比重要。

• DIoU-NMS实验

  
  diou diou-nms.png

8.对自己的启发

• 文章延续回归损失优化的工作，进一步指出IoU和GIoU都共有的不足，收敛速度慢和框包含情况下回归不准确的问题。
• 提出的DIoU和CIoU是通用trick