Generalized Intersection over Union: A Metric and A Loss for Bounding Box Regression

2019-05-20 19:34:55

Paperhttps://arxiv.org/pdf/1902.09630.pdf

Project pagehttps://giou.stanford.edu/

Codehttps://github.com/generalized-iou

1. Background and Motivation:

IoU (Intersection over Union) 是物体检测领域最常用的评价指标,用于衡量任意两个形状之间的相似性。IoU 将物体的形状信息,如:width,height,and locations of two bounding boxes,编码为 region property,然后计算一个聚焦于该区域的度量。这个性质使得 IoU 对 scale 有不变性。由于具有这样的特点,IoU 被广泛的应用于物体检测,分割,跟踪等任务。

从上述内容可以发现,最小化常用的损失 与 改善他们的 IoU 值,之间并没有强烈的关系。如图 1(a)所示:(绿色的BBox 为真值黑色的为预测的结果

为了简化起见,我们假设两个 BBox 的一个角固定,所以,任何预测的 BBox,只要第二个角在圆周线上,将会产生相同的 l2-norm distance;然而,IoU值却明显的不同。可以发现,regression loss 的优化 和 IoU values 之间的 gap,并不能很简单的跨越。

本文针对该问题,探索了 IoU 的新的计算方法。作者这里借鉴了 UnitBox 的思想,直接将 BBox 作为优化目标进行回归。所以,将 IoU 作为 2D 物体检测任务的目标函数就更适合了。但是,IoU 作为 metric 和 loss 有如下的不足:如果两个物体根本没有重合,那么 IoU value 将会是 0,并且不会反应两个 BBox 到底有多远。在这种不重合的情况下,如果用了 IoU 作为损失函数,那么梯度将会为 0,无法进行优化

在本文中,作者通过解决这个不重合的问题,克服了 IoU 的弱点。作者确保其拓展版本的有如下的特性:

a). 与 IoU 一样,拥有相同的定义,即:将对比物体的形状属性编码为区域属性(region property);

b). 保持了 IoU 的尺寸不变性;

c). 确保了在重合物体上与 IoU 的强烈相关性;

我们引入该 generalized verison of IoU, named GIoU, 作为一种新的对比方式。也提供了一种分析性的方案,来计算 GIoU,允许其作为 loss function。将 GIoU loss 引入到顶尖的物体检测算法中,我们的方法稳定的提升了其在主流物体检测benchmark 上检测性能。

2. Generalized Intersection over Union :

常规的 IoU 的定义如下:

IoU 有如下的两个优势:

1). IoU 作为距离,可以看做是一种 metric;

2). IoU 对问题的尺寸具有不变性(Invariant to the scale of the problem);

与此同时,也有如下的一个劣势:如果两个 BBox 不重合,那么其 IoU 得分就是 0。那么,此时的 IoU 无法反映出两个BBox 真实的距离。

作者提出的 GIoU 可以很好的解决这个问题,具体的计算方式如下:

首先,计算两个 BBox  A 和 B 的 smallest convex shapes C, 同时包含 A and B;

然后,我们计算如下的比值:分子是 排除 A 和 B 后的 C的区域,分母是 C 的总面积;这个表达了 A 和 B 之间的空闲区域的大小比例;

最终,将 IoU 的值,减去上述的比值,就可以得到 GIoU 的值。

上图中的绿色区域,即展示了所要计算的区域 C 的面积。

3. Experiments

==== Core Code:

def bbox_transform(deltas, weights):
wx, wy, ww, wh = weights
dx = deltas[:, 0::4] / wx
dy = deltas[:, 1::4] / wy
dw = deltas[:, 2::4] / ww
dh = deltas[:, 3::4] / wh dw = torch.clamp(dw, max=cfg.BBOX_XFORM_CLIP)
dh = torch.clamp(dh, max=cfg.BBOX_XFORM_CLIP) pred_ctr_x = dx
pred_ctr_y = dy
pred_w = torch.exp(dw)
pred_h = torch.exp(dh) x1 = pred_ctr_x - 0.5 * pred_w
y1 = pred_ctr_y - 0.5 * pred_h
x2 = pred_ctr_x + 0.5 * pred_w
y2 = pred_ctr_y + 0.5 * pred_h return x1.view(-1), y1.view(-1), x2.view(-1), y2.view(-1) def compute_iou(output, target, bbox_inside_weights, bbox_outside_weights, transform_weights=None, batch_size=None):
   ## the output is predicted bounding box, the target is ground truth bbox. (you need to transform them into tensor, when use this function)
if transform_weights is None:
transform_weights = (1., 1., 1., 1.) if batch_size is None:
batch_size = output.size(0) x1, y1, x2, y2 = bbox_transform(output, transform_weights)
x1g, y1g, x2g, y2g = bbox_transform(target, transform_weights) x2 = torch.max(x1, x2)
y2 = torch.max(y1, y2) xkis1 = torch.max(x1, x1g)
ykis1 = torch.max(y1, y1g)
xkis2 = torch.min(x2, x2g)
ykis2 = torch.min(y2, y2g) xc1 = torch.min(x1, x1g)
yc1 = torch.min(y1, y1g)
xc2 = torch.max(x2, x2g)
yc2 = torch.max(y2, y2g) intsctk = torch.zeros(x1.size()).to(output)
mask = (ykis2 > ykis1) * (xkis2 > xkis1)
intsctk[mask] = (xkis2[mask] - xkis1[mask]) * (ykis2[mask] - ykis1[mask])
unionk = (x2 - x1) * (y2 - y1) + (x2g - x1g) * (y2g - y1g) - intsctk + 1e-7
iouk = intsctk / unionk area_c = (xc2 - xc1) * (yc2 - yc1) + 1e-7
miouk = iouk - ((area_c - unionk) / area_c)
iou_weights = bbox_inside_weights.view(-1, 4).mean(1) * bbox_outside_weights.view(-1, 4).mean(1)
iouk = ((1 - iouk) * iou_weights).sum(0) / batch_size
miouk = ((1 - miouk) * iou_weights).sum(0) / batch_size return iouk, miouk ## the iouk is regular IoU value, the miouk is the GIoU value.

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