实例分割模型Mask2Former解析

Masked2Former是在mask rcnn基础上改进的一个实例分割模型，参考了一些经典模型的思想，如DETR，实验表明效果很好。

论文：《Masked-attention Mask Transformer for Universal Image Segmentation》
https://arxiv.org/abs/2112.01527

代码地址：https://github.com/facebookresearch/Mask2Former

1.摘要

图像分割对具有不同语义的像素进行分组，例如，类别或实例隶属关系。每种语义选择都定义了一个任务。虽然每个任务只是语义不同，但目前的研究重点是为每个任务设计专门的体系结构。我们提出了maskedatattention Mask Transformer (Mask2Former)，这是一种能够处理任何图像分割任务(全景、实例或语义)的新架构。它的关键组成部分包括屏蔽注意，它通过在预测的屏蔽区域内约束交叉注意来提取局部特征。
除了将研究工作量减少至少三倍之外，它在四个流行数据集上的性能明显优于最佳的专业架构。最值得注意的是，Mask2Former为全光分割(COCO上57.8 PQ)，实例分割(COCO上50.1 AP)和语义分割(ADE20K上57.7 mIoU)设置了新的技术水平。

2.模型创新点

主要改进：
1.首先在Transformer解码器中使用屏蔽注意力(Masked attention)，与传统的Transformer解码器中使用的交叉注意力相比，可以更快收敛并提高性能。
2.使用多尺度分辨率特征，帮助模型分割小物体/区域
3.提出了更换自注意力和交叉注意力的顺序、使查询特征可以学习、去除dropout等优化改进，所有这些可以不增加额外计算的同时提高性能。

3.模型结构

模型主要包括三个结构：主干特征提取器、像素解码器以及变压器解码器。

3.1 初步的掩码分类

收到DETR的启发，图像中的每个片段都可以作为C维特征向量，并且可以通过Transformer解码器处理，并使用一组预测目标进行训练。关于这种元架构更多的应该参考MaskFormer。

3.2 屏蔽注意力的Transformer解码器

3.2.1 Masked Attention

上下文特征已被证明对于图像分割很重要。然而，最近的研究表明，基于 Transformer 的模型收敛缓慢是由于交叉注意力层中的全局上下文造成的，因为交叉注意力需要许多训练周期才能学习关注局部对象区域。我们假设局部特征足以更新查询特征，并且可以通过自注意力收集上下文信息。
为此，我们提出了屏蔽注意力，这是交叉注意力的一种变体，仅参与每个查询的预测掩模的前景区域。
原始的交叉注意力的计算：

Masked attention的计算方式：


M_(l-1)是先前第(l-1)个transformer解码器层的经过调整大小的掩码预测的二值化输出，它被调整到与k_l相同的分辨率，M_0是从X_0得到的二进制掩码预测，即再查询特征馈送到Transformer解码器之前。

3.2.3 优化改进

标准 Transformer 解码器层 由三个模块组成，按以下顺序处理查询特征：自注意力模块、交叉注意力模块和前馈网络（FFN）。此外，查询特征（X0）在输入 Transformer 解码器之前被初始化为零，并与可学习的位置嵌入相关联。此外，dropout 应用于残差连接和注意力图。
为了优化 Transformer 解码器设计，我们做了以下三点改进。首先，我们切换自注意力和交叉注意力（我们新的“屏蔽注意力”）的顺序，以使计算更有效：第一个自注意力层的查询特征是与图像无关的，并且没有来自图像的信号，因此应用自注意力不太可能丰富信息。其次，我们使查询特征（X0）也可学习（我们仍然保留可学习的查询位置嵌入），并且可学习的查询特征在用于 Transformer 解码器中预测掩码（M0）之前直接受到监督。我们发现这些可学习的查询特征的功能类似于区域提议网络，并且能够生成掩模提议。最后，我们发现 dropout 是不必要的，而且通常会降低性能。因此，我们完全消除了解码器中的丢失。

3.3提高训练效率

在预测与其匹配的真实情况之间的最终损失中，我们使用重要性采样 对不同的预测和真实情况对的不同 K 点集进行采样。我们设置 K = 12544，即 112 ? 112 点。这种新的训练策略有效地将训练内存减少了 3x，从每张图像 18GB 减少到 6GB，使计算资源有限的用户更容易使用 Mask2Former。

5.结论

我们提出了用于通用图像分割的 Mask2Former。 Mask2Former 基于简单的元框架 [14] 和新的 Transformer 解码器，使用所提出的屏蔽注意力，在四个流行数据集的所有三个主要图像分割任务（全景、实例和语义）中获得了最佳结果，甚至超越了设计的最佳专业模型每个基准，同时保持易于训练。与为每个任务设计专用模型相比，Mask2Former 可以节省 3 倍的研究工作量，并且计算资源有限的用户也可以使用它。
我们希望引起人们对通用模型设计的兴趣
中间实验参数配置、实验结果和模块深度解析，有时间再来填坑！