【多模态】18、ViLD | 通过对视觉和语言知识蒸馏来实现开集目标检测（ICLR2022）

论文：Open-vocabulary Object Detection via Vision and Language Knowledge Distillation

代码：https://github.com/tensorflow/tpu/tree/master/models/official/detection/projects/vild

效果：

• 在 zero-shot 测试下，coco 达到了 36.6 AP，PASCAL VOC 达到了 72.2AP，Object365 达到了 11.8AP

本文提出了 Vision and Language knowledge Distillation（ViLD）：

• 通过将预训练的开集分类模型作为 teacher model，来蒸馏两阶段目标检测器 student model
• 即使用 teacher model 来对 category texts 和 proposal region进行编码
• 然后训练 student detector 来对齐 text 和 region embedding

一、背景

如图 1 所示，作者思考，目标检测器能否识别 base category 之外的类别？

所以，本文作者就构建了一个 open-vocabulary 目标检测器，用于检测从 text 输入的任意类别的目标

现有的目标检测方法都是只学习数据集中出现的类别，而扩充检测类别的方法就是收集更多的类别标注数据，如 LVIS 包括 1203 个类别，有较为丰富的词汇量，但也不够强大。

另外一方面，互联网上有丰富的 image-text pairs，CLIP 就尝试使用 4 亿图文对儿来联合训练模型，并且在 30 个数据集上展示了很好的效果

zero-shot 迁移的效果很大程度上来源于预训练的 text encoder 对任意类别文本的编码能力，尽管现在对 image-level 特征表达的编码能力已经被证明挺好的了，但还 object-level 的特征编码仍然很有挑战

所以，本文作者思考能否从开集分类模型中拿到一些能力来用于开集检测

作者首先从 R-CNN 类的方法入手，将开集目标检测也构建为两个子问题：

• object proposal 的生成
• open-vocabulary 图像分类

如何操作 R-CNN 类的模型：

• 先基于基础类别训练一个 region proposal model
• 然后使用预训练好的图像分类器来对 cropped object proposal 进行分类，可以包括新类和基础类
• 作者使用 LVIS 当做 benchmark，把 rare 类别作为 novel categories，将其他类当做 base categories
• 缺点：很慢，因为每个 object proposal 都是一个个的进入分类器来分类的

基于此，作者提出了 ViLD，来训练两阶段的开放词汇目标检测器，ViLD 包含两部分：从开集目标分类模型的输出中来学习 text embedding 和 image embedding

• ViLD-text：只会从基础类中蒸馏
  • 首先，将类别名称输入预训练好的 text encoder 来得到 text embedding
  • 然后，使用推理的 text embedding 结果来对检测到的 region 进行分类
• ViLD-image：会同时从基础类和新类中来蒸馏，因为 proposal 网络可能会检测到包含新类的区域
  • 首先，将 object proposal 经过 NMS 算法过滤后，在原图上裁剪，裁剪出原图区域，然后将裁剪后的原图送入 CLIP 的 image encoder 中，CLIP 的 image encoder 的输出就是该区域的教师特征，
  • 然后，训练一个 Mask R-CNN 来学习教师网络的输出，也就是将 student 输出和 teacher image embedding 来对齐

二、方法

作者将检测数据集中的类别分类 base 和 novel：

• base：$C_B$，参与训练
• novel：$C_N$

编码器符号：

• $T(.)$：text encoder
• $V(.)$：image encoder

2.1 对新类别的定位 Localization

开放词汇目标检测的第一个挑战就是对新类别目标的定位

作者以 Mask RCNN 为例，作者使用 class-agnostic 模块替换了 class-specific 定位模块，对每个 RoI，模型只能对所有类别预测一个 bbox 和一个 mask，而不是每个类别都会预测一个，所以，使用 class-agnostic 的模块可以扩展到用于新类别的定位

2.2 使用 cropped regions 进行开放词汇检测

一旦对目标候选区域定位成功，就可以使用预训练好的分类器来对区域进行分类

Image embedding：

• 作者基于基础类别 $C_B$ 训练了一个 proposal 网络，来提取感兴趣区域
• 首先从原图中 crop 并 resize ，然后将原图区域输入 CLIP 的 image encoder 中计算 image embedding
• 作者使用了两种 crop 区域的 resize 方式：1x 和 1.5x，1.5x 的用于提供更多的上下文信息，整合后的 embedding 然后会被归一化

Text embedding：

• 作者会使用 prompt 模版（如 “a photo of {} in the scene”）来送入 text encoder，并得到 text embedding

相似度：

• 计算完两个 embedding 之后，作者使用 cosine similarities 来计算 image embedding 和 text embedding 的相似程度，然后使用 softmax 激活和类内的 NMS 来得到最终的检测结果

效率：

• 由于每个 cropped region 都会被送入 image encoder 来提取 image embedding，所以效率很低

2.3 ViLD

作者提出了 ViLD 来缓解上面提到的效率低的问题

使用 text embedding 来代替分类器：

• 首先，引入了 ViLD-text，目标是训练一个可以使用 text embedding 来分类的 region embedding
• 如图 3b 展示了训练的目标函数，使用 text embedding 来代替了如图 3a 的分类器，只有 text embedding 用于训练
• 对于没有匹配到任何 gt 的 proposal，被分配到背景类别，可以学习其自己的编码 $e_{bg}$，
• 对所有类别编码，都计算 region embedding 和 category embedding 的余弦相似性，包括前景和背景 $e_{bg}$，
• 然后，计算带温度参数的 softmax 激活后的分布并计算 cross-entropy loss
• 为了训练第一个阶段，也就是 region proposal 网络，作者在线抽取 region proposal r，并且从头开始使用 ViLD-text 来训练

ViLD-text 的 loss 如下：

蒸馏 image embedding：

训练 ViLD-image 时，主要是从 teacher model 来蒸馏到 student model 上

为了提升训练速度，对每个 training image 先离线抽取 M 个 proposal，并且计算其对应的 image embedding

这些 proposal 包含了基础类和新类，所以网络是可以扩展的

但 ViLD-text 只能从基础类学习

ViLD-image loss 是 region embedding 和 image embedding 的 L1 loss：

ViLD 的整个训练 loss 如下：w 是超参数

三、效果