【SSD 代码精读】之 model （Backbone）& loss

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1、Backbone

这里介绍使用 ResNet-50 作为 backbone （原论文使用的 backbone 是 VGG-16）

1）ResNet-50

https://blog.csdn.net/weixin_37804469/article/details/111773914

2）截取 ResNet-50 的前半部分作为 backbone

• 截取到 layer 3 的 block 1 ，后面的丢弃不用
• layer 3 的 block 1 要稍做修改，resnet-50 这里原本要做 downsample 的（图片尺寸减小一倍），要修改成不做downsample了。也就是 stride由之前的2 修改为 1， 如图
• 按照原文，输入图片为 （3，300，300），那么，到 layer 3 的 block 1这里，输出的 feature map 尺寸为 （1024， 38， 38）。这个 feature map 会做为 多个特征层中的第一层。

class Backbone(nn.Module):
    def __init__(self, pretrain_path=None):
        super(Backbone, self).__init__()
        net = resnet50()
        self.out_channels = [1024, 512, 512, 256, 256, 256]

        if pretrain_path is not None:
            net.load_state_dict(torch.load(pretrain_path))

        self.feature_extractor = nn.Sequential(*list(net.children())[:7])

        conv4_block1 = self.feature_extractor[-1][0]

        # 修改conv4_block1的步距，从2->1
        conv4_block1.conv2.stride = (1, 1)
        conv4_block1.downsample[0].stride = (1, 1)

    def forward(self, x):
        x = self.feature_extractor(x)
        return x

到此，我们的backbone 就构建好了，backbone 就是 resent-50 前半截，下面我们在backbone 的基础上，继续搭建起 model

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2、Module

在 backbone 的基础上，重新设计后半截的网络，构成完整的网络，用于特征层的输出，如下图
后面几层的特征层输出分别为 （512，19，19）、（512，10，10）、（256，5，5）、（256，3，3）（256，1，1）

def _build_additional_features(self, channels):
    additional_blocks = []

    # channels = [1024, 512, 512, 256, 256, 256]
    middle_channels = [256, 256 ,128, 128, 128]

    for i, (input_ch, output_ch, middle_ch) in enumerate(zip(channels[:-1], channels[1:], middle_channels)):
        padding, stride = (1, 2) if i < 3 else (0, 1)
        layer = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(input_ch, middle_ch, kernel_size=1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(middle_ch),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Conv2d(middle_ch, output_ch, kernel_size=3, padding=padding, stride=stride, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(output_ch),
            nn.ReLU(inplace=True)
        )
        additional_blocks.append(layer)
        self.additional_blocks = nn.ModuleList(additional_blocks)

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将 6 个 feature map 进一步进行位置提取 和 置信度提取 （location extractor & confidence extractor）

1） location extractor

从 6个 特征层中 提取 对应的 default box 的位置信息，其中 ：

• 5776、2166、600、150、36、4 分别表示每个特征层所对应的 default box 的个数
• 4 就代表4个坐标 （ctr_x, ctr_y, width, height）的坐标参数的值

# confidence extractor
(1) Conv2d(1024, 4 * 4, kernel_size=3, padding=1))  ===>> (16, 38, 38)   ==view==>> (4, 5776)
(2) Conv2d(512, 6 * 4, kernel_size=3, padding=1))   ===>> (24, 19, 19)   ==view==>> (4, 2166)
(3) Conv2d(512, 6 * 4, kernel_size=3, padding=1))   ===>> (24, 10, 10)   ==view==>> (4, 600)
(4) Conv2d(256, 6 * 4, kernel_size=3, padding=1))   ===>> (24, 5, 5)     ==view==>> (4, 150)
(5) Conv2d(256, 4 * 4, kernel_size=3, padding=1))   ===>> (16, 3, 3)     ==view==>> (4, 36)
(6) Conv2d(256, 4 * 4, kernel_size=3, padding=1))   ===>> (16, 1, 1)     ==view==>> (4, 4)

====>> concatenate 得 (4, 8732)  : 表示所有 8732 个 default box 的位置参数

2）confidence extractor

从 6个 特征层中 提取 对应的 default box 中有object 的置信度，其中 ：

• 5776、2166、600、150、36、4 分别表示每个特征层所对应的 default box 的个数
• 21 代表21个分类的置信度

# confidence extractor
(0): Conv2d(1024, 84, kernel_size=3, stride=1, padding=1) ===>> (84, 38, 38)   ==view==>> (21, 5776)
(1): Conv2d(512, 126, kernel_size=3, stride= 1, padding=1)===>> (126, 19, 19)   ==view==>> (21, 2166)
(2): Conv2d(512, 126, kernel_size=3, stride=1, padding=1)===>> (126, 10, 10)   ==view==>> (21, 600)
(3): Conv2d(256, 126, kernel_size= 3, stride=1, padding=1)===>> (126, 5, 5)   ==view==>> (21, 150)
(4): Conv2d(256, 84, kernel_size=3, stride=1, padding=1)===>> (84, 3, 3)   ==view==>> (21, 36)
(5): Conv2d(256, 84, kernel_size=3, stride=1, padding=1)===>> (84, 1, 1)   ==view==>> (21, 4)

====>> concatenate 得 (21, 8732)：表示这 8732 个 default box 分别为 21个分类的概率

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3、Loss Function

在得到了预测的 boxes 的坐标参数 和 置信度(分类概率)，我门就要计算 loss 了。 Loss 的计算分为两个部分：

• 坐标回归参数：坐标回归参数的 loss function 用的是 SmoothL1Loss
• 分类：分类的 loss function 用的是 CrossEntropy
  \quad

1）location loss

1、将 gt boxes 的 (ctr_x, ctr_y, w, h) 形式的坐标 转换为 其相对于 default boxes 的回归参数

def _location_vec(self, loc):
	# （1） self.scale_xy = 10.0  ,  self.scale_wh = 5.0
	gxy = self.scale_xy * (loc[:, :2, :] - self.dboxes[:, :2, :]) / self.dboxes[:, 2:, :]  # Nx2x8732
	gwh = self.scale_wh * (loc[:, 2:, :] / self.dboxes[:, 2:, :]).log()  # Nx2x8732
	return torch.cat((gxy, gwh), dim=1).contiguous()

vec_gd = self._location_vec(gloc)

2、计算 预测回归参数：ploc 和 上一步转换出的 ground truth boxes 回归参数： vec_gd 的 SmoothL1 Loss
SmoothL1 Loss 的介绍在这里

vec_gd = self._location_vec(gloc)   # vec_gd shape=[N, 4, 8732]
loc_loss = nn.SmoothL1Loss(reduction='none')(ploc, vec_gd)   # loc_loss shape=[N, 4, 8732]

3、累加 4个 位置的参数 ，即 将每个 box 的 ctr_x、ctr_y、w、h 的 loss 进行相加

loc_loss = loc_loss.sum(dim=1)   # loc_loss shape=[N, 8732]

3、只提取出 正样本的 location loss ，即 只提取前景图的 location loss）

loc_loss = (mask.float() * loc_loss).sum(dim=1)   # loc_loss shape=[N]

\quad
\quad

2）confidence loss

选取负样本中 confidence loss 最大的 前k个

• 负样本 ：label=0 的背景图
• 前k个指：k 由该图像中正样本的数量决定，要求选取图像中正样本数量3倍 的负样本
• confidence loss 最大的负样本，即 在做 Hard negative mining，挖掘最难分类的负样本

       # hard negative mining Tenosr: [N, 8732]
        con = self.confidence_loss(plabel, glabel)

        # positive mask will never selected
        # 获取负样本
        con_neg = con.clone()
        con_neg[mask] = 0.0
        # 按照confidence_loss降序排列 con_idx(Tensor: [N, 8732])
        _, con_idx = con_neg.sort(dim=1, descending=True)
        _, con_rank = con_idx.sort(dim=1)  # 这个步骤比较巧妙

        # number of negative three times positive
        # 用于损失计算的负样本数是正样本的3倍（在原论文Hard negative mining部分），
        # 但不能超过总样本数8732
        neg_num = torch.clamp(3 * pos_num, max=mask.size(1)).unsqueeze(-1)
        neg_mask = torch.lt(con_rank, neg_num)  # (lt: <) Tensor [N, 8732]

        # confidence最终loss使用选取的正样本loss+选取的负样本loss
        con_loss = (con * (mask.float() + neg_mask.float())).sum(dim=1)  # Tensor [N]

        # avoid no object detected
        # 避免出现图像中没有GTBOX的情况
        total_loss = loc_loss + con_loss
        # eg. [15, 3, 5, 0] -> [1.0, 1.0, 1.0, 0.0]
        num_mask = torch.gt(pos_num, 0).float()  # 统计一个batch中的每张图像中是否存在正样本
        pos_num = pos_num.float().clamp(min=1e-6)  # 防止出现分母为零的情况
        ret = (total_loss * num_mask / pos_num).mean(dim=0)  # 只计算存在正样本的图像损失

3）整体 loss

整体 loss = location loss + confidence loss

total_loss = loc_loss + con_loss

计算 batch 中 N 张图像的 loss 平均值
（只计算存在正样本的图像损失，即：如果 batch 中存在 没有正样本的图像，则该图像不参与计算）

num_mask = torch.gt(pos_num, 0).float()  # 统计一个batch中的每张图像中是否存在正样本
pos_num = pos_num.float().clamp(min=1e-6)  # 防止出现分母为零的情况
ret = (total_loss * num_mask / pos_num).mean(dim=0)  # 只计算存在正样本的图像损失

4）loss 代码

class Loss(nn.Module):
    """
        Implements the loss as the sum of the followings:
        1. Confidence Loss: All labels, with hard negative mining
        2. Localization Loss: Only on positive labels
        Suppose input dboxes has the shape 8732x4
    """
    def __init__(self, dboxes):
        super(Loss, self).__init__()
        # Two factor are from following links
        # http://jany.st/post/2017-11-05-single-shot-detector-ssd-from-scratch-in-tensorflow.html
        self.scale_xy = 1.0 / dboxes.scale_xy  # scale_xy = 1 / 0.1 = 10,
        self.scale_wh = 1.0 / dboxes.scale_wh  # scale_wh = 1 / 0.2 = 5

        self.location_loss = nn.SmoothL1Loss(reduction='none')
        # [num_anchors, 4] -> [4, num_anchors] -> [1, 4, num_anchors]
        self.dboxes = nn.Parameter(dboxes(order="xywh").transpose(0, 1).unsqueeze(dim=0),
                                   requires_grad=False)

        self.confidence_loss = nn.CrossEntropyLoss(reduction='none')

    def _location_vec(self, loc):
        # type: (Tensor) -> Tensor
        """
        Generate Location Vectors
        :param :
            （1） self.scale_xy = 10.0  ,  self.scale_wh = 5.0
            （2） default 匹配到的 gt box，    self.dboxes 就是row default box
        :return: ground truth相对anchors的回归参数
        """
        gxy = self.scale_xy * (loc[:, :2, :] - self.dboxes[:, :2, :]) / self.dboxes[:, 2:, :]  # Nx2x8732
        gwh = self.scale_wh * (loc[:, 2:, :] / self.dboxes[:, 2:, :]).log()  # Nx2x8732
        return torch.cat((gxy, gwh), dim=1).contiguous()

    def forward(self, ploc, plabel, gloc, glabel):
        # type: (Tensor, Tensor, Tensor, Tensor) -> Tensor
        """
            ploc, plabel: Nx4x8732, Nxlabel_numx8732
                predicted location and labels

            gloc, glabel: Nx4x8732, Nx8732
                ground truth location and labels
        """
        # 获取正样本的mask  Tensor: [N, 8732]
        mask = torch.gt(glabel, 0)  # (gt: >)
        # mask1 = torch.nonzero(glabel)
        # 计算一个batch中的每张图片的正样本个数 Tensor: [N]
        pos_num = mask.sum(dim=1)

        # 计算gt的location回归参数 Tensor: [N, 4, 8732]
        vec_gd = self._location_vec(gloc)

        # sum on four coordinates, and mask
        # 计算定位损失(只有正样本)
        loc_loss = self.location_loss(ploc, vec_gd).sum(dim=1)  # Tensor: [N, 8732]
        loc_loss = (mask.float() * loc_loss).sum(dim=1)  # Tenosr: [N]

        # hard negative mining Tenosr: [N, 8732]
        con = self.confidence_loss(plabel, glabel)

        # positive mask will never selected
        # 获取负样本
        con_neg = con.clone()
        con_neg[mask] = 0.0
        # 按照confidence_loss降序排列 con_idx(Tensor: [N, 8732])
        _, con_idx = con_neg.sort(dim=1, descending=True)
        _, con_rank = con_idx.sort(dim=1)  # 这个步骤比较巧妙

        # number of negative three times positive
        # 用于损失计算的负样本数是正样本的3倍（在原论文Hard negative mining部分），
        # 但不能超过总样本数8732
        neg_num = torch.clamp(3 * pos_num, max=mask.size(1)).unsqueeze(-1)
        neg_mask = torch.lt(con_rank, neg_num)  # (lt: <) Tensor [N, 8732]

        # confidence最终loss使用选取的正样本loss+选取的负样本loss
        con_loss = (con * (mask.float() + neg_mask.float())).sum(dim=1)  # Tensor [N]

        # avoid no object detected
        # 避免出现图像中没有GTBOX的情况
        total_loss = loc_loss + con_loss
        # eg. [15, 3, 5, 0] -> [1.0, 1.0, 1.0, 0.0]
        num_mask = torch.gt(pos_num, 0).float()  # 统计一个batch中的每张图像中是否存在正样本
        pos_num = pos_num.float().clamp(min=1e-6)  # 防止出现分母为零的情况
        ret = (total_loss * num_mask / pos_num).mean(dim=0)  # 只计算存在正样本的图像损失
        return ret
        
compute_loss = Loss(default_box)
loss = compute_loss(locs, confs, bboxes_out, labels_out)