Mask RCNN 学习笔记

涉及到的知识点补充：

FasterRCNN：https://blog.youkuaiyun.com/wangyong1988/article/details/81064597

 

RoIPooling、RoIAlign：https://blog.youkuaiyun.com/wangyong1988/article/details/81064995

 

FPN：https://blog.youkuaiyun.com/wangyong1988/article/details/81065115

首先，先看两张图（第一张图来源于论文，第二张图来源于网络），如下：

                                         (图1)

   

                                           (图2)

图1：可以看出MaskRCNN在有效检测目标的同时输出高质量的实例分割mask

图2：可以看出MaskRCNN的网络结构，作为FasterRCNN的扩展

1)：用RolAlign代替了RoIPooling，RoIPooling使用取整量化，导致特征图RoI映射回原图RoI时空间不对齐明显，造成误差；RolAlign不使用取整量化而是采用双线性插值，完成像素级的对齐；

2)：FasterRcnn为每个候选对象ROI提供两个输出，一个类标签，一个边界框偏移量，为此，MaskRCNN并行添加了第三个分割mask的分支，mask分支是应用到每一个ROI上的一个小的FCN（Fully Convolutional Network），以pix2pix的方式预测分割mask。

MaskRCNN具有很好的泛化适应能力，可以和多种RCNN框架结合，比较常见的如：

1）FasterRCNN/ResNet；

2）FasterRCNN/FPN

在接下来的文章介绍中则主要结合FPN网络记录MaskRCNN的工作原理

如果要说清楚MaskRCNN的工作原理，先从数据标注开始，知道如何制作数据集，对理解网络有帮助

一）、数据标注

利用labelImg和labelme的源码，整合成一套新的标注工具，同时支持矩形和多边形的绘制，界面如下图(从上到下,从左到右依次是：菜单栏、工具箱、文件列表展示区、主图绘制区、标签展示区、状态栏)：

绘制完成，点击保存后，会将图中绘制的点坐标信息保存到JSON文件中，JSON文件的格式如下：

每一张图片会产生一个与其同名的JSON文件，文件夹中的格式如下图所示：

注：一张图片只需对应一张JSON文件即可，而网络在训练的时候需要一个‘mask图片’，这个会在代码中利用JSON中坐标点临时生成

二）、网络原理

MaskRCNN作为FasterRCNN的扩展，产生RoI的RPN网络和FasterRCNN网络一样，如想详细了解这个过程，可以参看文章上述给出的FasterRCNN的博文，这里不太叙述RPN网络的原理，重点看下MaskRCNN其余部分的理解；

源码：https://github.com/matterport/Mask_RCNN

结构：ResNet101+FPN

代码：TensorFlow+ Keras（Python）

代码中将Resnet101网络，分成5个stage，记为[C1,C2,C3,C4,C5]；如果了解FPN网络（也可以参看上面提供的FPN网络博文链接），知道这里的5个阶段分别对应着5中不同尺度的feature map输出，用来建立FPN网络的特征金字塔（feature pyramid）.

先通过两张MaskRCNN整体网络结构图，再附带一张绘制了stage1和stage2的层次结构图（stage3到stage5的结构层次比较多，未绘制），来整体了解下MaskRCNN网络。

MaskRCNN网络结构泛化图：

MaskRCNN网络结构细化图（可放大看）：

stage1和stage2层次结构图：

结合MaskRCNN网络结构图，注重点出以下几点：

1） 虽然事先将ResNet网络分为5个stage，但是，并没有利用其中的Stage1即P1的特征，官方的说法是因为P1对应的feature map比较大计算耗时所以弃用；相反，在Stage5即P5的基础上进行了下采样得到P6，故，利用了[P2 P3 P4 P5 P6]五个不同尺度的特征图输入到RPN网络，分别生成RoI.

 

2）[P2 P3 P4 P5 P6]五个不同尺度的特征图由RPN网络生成若干个anchor box，经过NMS非最大值抑制操作后保留将近共2000个RoI（2000为可更改参数），由于步长stride的不同，分开分别对[P2 P3 P4 P5]四个不同尺度的feature map对应的stride进行RoIAlign操作，将经过此操作产生的RoI进行Concat连接，随即网络分为三部分：全连接预测类别class、全连接预测矩形框box、     全卷积预测像素分割mask

 

3）损失函数：分类误差+检测误差+分割误差，即L=Lcls+Lbox+Lmask

   Lcls、Lbox：利用全连接预测出每个RoI的所属类别及其矩形框坐标值，可以参看FasterRCNN网络中的介绍。

   Lmask：

 ① mask分支采用FCN对每个RoI的分割输出维数为K*m*m（其中：m表示RoI Align特征图的大小），即K个类别的m*m的二值mask;保持m*m的空间布局，pixel-to-pixel操作需要保证RoI特征 映射到原图的对齐性，这也是使用RoIAlign解决对齐问题原因，减少像素级别对齐的误差。

        K*m*m二值mask结构解释：最终的FCN输出一个K层的mask，每一层为一类，Log输出，用0.5作为阈值进行二值化，产生背景和前景的分割Mask

这样，Lmask 使得网络能够输出每一类的 mask，且不会有不同类别 mask 间的竞争. 分类网络分支预测 object 类别标签，以选择输出 mask，对每一个ROI，如果检测得到ROI属于哪一个分 类，就只使用哪一个分支的相对熵误差作为误差值进行计算。（举例说明：分类有3类（猫，狗，人），检测得到当前ROI属于“人”这一类，那么所使用的Lmask为“人”这一分支的mask，即，每个class类别对应一个mask可以有效避免类间竞争（其他class不贡献Loss）

 

 ② 对每一个像素应用sigmoid，然后取RoI上所有像素的交叉熵的平均值作为Lmask。

 

       由于MaskRCNN网络包含了很多之前介绍过的知识点，例如RPN，FPN，RoIPooling，RoIAlign，故这遍文章看上去显得比较‘单薄’，如果想弄清楚MaskRCNN网络，还是可以需要结合文章一开头提到的几遍博文一起阅读…

 

     文章开头的时候，利用自己的标注工具，对细胞图片进行标注，每个图片产生一个JSON文件，通过训练后，测试效果如下（标注的图片不是很多，效果还行）：

     

作为一枚技术小白，写这篇笔记的时候参考了很多博客论文，在这里表示感谢，同时，转载请注明出处......

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