系列文章目录

IOU 系列：IOU,GIOU,DIOU,CIOU

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一、NMS简介

（一）为什么要使用NMS

非极大抑制的功能：筛选出一定区域内属于同一种类得分最大的框

大多数目标检测算法（稠密预测）在得到最终的预测结果时，特征图的每个位置都会输出多个检测结果，整个特征图上会出很多个重叠的框。例如要检测一辆车，可能会有多个bbox都把这辆车给框了出来，因此需要从这些bbox中选出框得最好的，删除掉其它的。要定义框得好与不好，就得看bbox的预测置信度；为了删掉重叠的多余的框，就得利用IoU来检查重叠程度。

（二）NMS的算法流程

每轮选取置信度最大的 Bounding Box ，接着关注所有剩下的 BBox 中与选取的 BBox 有着高重叠（IoU）的，它们将在这一轮被抑制。这一轮选取的 BBox 会被保留输出，且不会在下一轮出现。接着开始下一轮，重复上述过程：选取置信度最大 BBox ，抑制高 IoU BBox。

（三）NMS的置信度重置函数

对于IOU>阈值的两个相邻的检测框，NMS将其得分暴力置零，相当于直接舍弃。

（四）NMS的局限性

• 循环步骤，GPU难以并行处理，运算效率低
• 以分类置信度为优先衡量指标分类置信度高的定位不一定最准，降低了模型的定位准确度
• 直接提高阈值暴力去除bbox 将得分较低的边框强制性地去掉，如果物体出现较为密集时，本身属于两个物体的边框，其中得分较低的框就很有可能被抑制掉，从而降低了模型的召回率，且阈值设定完全依赖自身经验。

（五）改进思路

1. 根据手动设置阈值的缺陷，通过自适应的方法在目标系数时使用小阈值，目标稠密时使用大阈值。例如Adaptive NMS。

2. 将低于阈值的直接置为0的做法太hard，通过将其根据IoU大小来进行惩罚衰减，则变得更加soft。例如Soft NMS，Softer NMS。

3. 只能在CPU上运行，速度太慢的改进思路有三个，一个是设计在GPU上的NMS，如CUDA NMS，一个是设计更快的NMS，如Fast NMS，最后一个是掀桌子，设计一个神经网络来实现NMS，如ConvNMS。

4. IoU的做法存在一定缺陷，改进思路是将目标尺度、距离引进IoU的考虑中。如DIoU。

二、Soft-NMS概述

nms的局限性：对于IOU>阈值的两个相邻的检测框，传统的NMS的做法是将其得分暴力置零相当于直接舍弃。这样的做法很有可能造成漏检，尤其在遮挡的场景下。

（一）Soft-NMS的思想

对于与最高分框的IOU大于阈值的框M，我们不把他直接去掉，而是将他的置信度降低(添加惩罚项来抑制，I0U越大，抑制的程度也越大)，这样的方法可以使多一些框被保留下来，从而一定程度上避免遮挡的情况出现。

（二）Soft-NMS的置信度重置函数

如果只是把置信度降低，那么是不是原来周围的多个表示同一个物体的框也没办法去掉了? Soft-NMS这样来解决这个问题，同一个物体周围的框有很多，每次选择分数最高的框，抑制其周围的框，与分数最高的框的loU越大，抑制的程度越大，一般来说，表示同一个物体的框(比如都是前面的马)的loU是会比另一个物体的框(比如后面的马)的loU大，因此，这样就会将其他物体的框保留下来，而同一个物体的框被去掉。

Soft-NMS算法的置信度重置函数有两种方式：

• 一种采用线性加权：
  

• 另一种采用高斯加权：
  

三、softer NMS

（一）提出背景

NMS 默认置信度分数较高的框，定位更精确，由于分类和回归任务没有直接相关性，因此这个条件并不总是成立。

• 图(a)中两个边界框位置都不够精确；
• 图(b)中置信度较高的边界框的左边界精确度较低。
  

（二）softer NMS的核心思想

• 针对图(a)中的问题一：提出一种方法根据IoU置信度加权合并多个框优化最终生成框
• 针对图(b)中的问题二：构建一种IoU的置信度，来建模有多大把握认为当前框和GT是重合的

基于上述观察，softer NMS算法设计了一个新的网络结构来对检测框的位置概率分布进行建模，对所有框不仅预测位置坐标，还预测位置方差。对于重叠的检测框，根据重叠程度和位置不确定性进行投票，重叠程度高，位置分布方差小的检测框权重大，从而获得更精确的检测框。该文还提出了一种新的包围框回归的损失函数（KL Loss），用来同时学习包围框变换和定位置信度。

softer NMS的特点：

• 边界框参数化(预测一个分布替代唯一的定位)；
• 训练时边框回归时采取KL损失；
• 一个新的NMS方法提高定位准确性。

（三）softer NMS的算法流程

1、先验假设

Softer NMS 论文中有两个先验假设:（$x$表示偏移前的预测框，$x_e$表示偏移后的预测框，$x_g$表示GT框）

• Bounding box的是高斯分布：$P_{\theta }(x)=\frac{1}{2\pi {\sigma }^2}{e}^{\frac{(x-x_e{)}^2}{2{\sigma }^2}}$
• ground truth bounding box是狄拉克delta分布(即标准方差为0的高斯分布极限)：$P_D(z)=\delta (x-x_g)$

2、KL 损失

然后，考虑到KL散度常用于衡量两个分布之间的差异，作者将最小化包围框预测的高斯分布和ground truth的狄拉克delta分布的KL散度作为文章的KL Loss。直观上解释，KL Loss使得包围框预测呈高斯分布，且与ground truth相近。而将包围框预测的标准差看作置信度。

最终推导后损失函数：

3、网络架构

softer NMS的网络结构图如下，上面是原始fasterRCNN的结构，下面是softer-nms结构，多加了一个sigma预测，也就是box std，而Box的预测其实就是上面公式中的$x_e$。由图中可知，标准差估计与包围框定位都包含在损失函数Lreg中。

4、算法步骤

下图所示为Softer-NMS的实现过程，其实很简单，预测的四个顶点坐标，分别对IoU＞Nt的预测加权平均计算，得到新的4个坐标点：

• 蓝色部分是soft-nms，只是降低了S的权值
• 绿色部分表示拿出所有与B的IoU大于Nt的框（用idx表示），然后将所有这些框做一个加权，B[idx]/C[idx]其实是B[idx] * 1/C[idx]，后者是置信度，并使用sum做了归一化。
  

四、Weighted-NMS

（一）提出背景

NMS方法在一组候选框中选择分数最大的框作为最终的目标框。然而，非极大的检测结果保存了特征的最大值，因此忽略非极大的检测检测结果是不合适的。

（二）Weighted-NMs思想

soft NMS是通过抑制机制来改善剔除结果（降低超阈值的得分策略），Weighted NMS（W-NMS）则是从极大值这个方面进行改进。W-NMS认为Traditional NMS每次迭代所选出的最大得分框未必是精确定位的，冗余框也有可能是定位良好的。因此，W-NMS通过分类置信度与IOU来对同类物体所有的边框坐标进行加权平均，并归一化。 其中，加权平均的对象包括M自身以及IoU≥NMS阈值的相邻框。

五、IOU-Guided NMS

（一）lOU-Guided NMs的思路

在一般检测的框架中，增加了一个额外的分支用来预测每个框的定位置信度(该框与GT的loU,下图)，然后用预测的loU代替分类置信度作为NMS排序的关键，消除误导性分类置信度引起的抑制失效。

（二）lOU-Guided NMs的算法流程

lOU-Guided NMs的伪代码如下图所示。具体来说，就是使用 定位置信度 作为 NMS 的筛选依据，每次迭代挑选出最大定位置信度的框 M ，然后将loU>=NMS 阈值的相邻框剔除，但把 冗余框及其自身的最大分类得分 直接赋子 M 。因此，最终输出的框必定是 同时具有最大分类得分与最大定位置信度的框。

六、DIOU-NMS

DIOU-NMS在nms过程中采用DloU的计算方式替换了loU，由于DloU的计算考虑到了两框中心点位置的信息，故使用DloU进行评判的nms效果更符合实际，效果更优。

七、 Adaptive NMS

（一）Adaptive NMS的提出背景

使用单一阈值的NMS会面临这种困境：较低的阈值会导致丢失高度重叠的对象（图中蓝框是未检测出来的目标），而较高的阈值会导致更多的误报（红框是检测错误的目标）。这在密集场景下，如行人检测中，会导致较低的准确率。

（二）Adaptive-NMS的思想

Adaptive NMS应用了动态抑制策略，其中阈值随着目标聚集和相互遮挡（密度）而上升，并在目标单独出现时衰减。并设了一个自网络用于学习密度的分数。

• 对于远离M的检测框，它们被误报的可能性较小，因此应该保留它们。
• 对于高度重叠的相邻检测，抑制策略不仅取决于与M的重叠，还取决于M是否位于拥挤区域。如果M位于拥挤的区域，其高度重叠的相邻框很可能是真正的正例，应该分配较轻的惩罚或保留。但是对于稀疏区域中的实例，惩罚应该更高以修剪误报。

（三）Adaptive-NMS的算法流程

对于每个目标的密度，定义如下：

依据这个定义，更新策略为：（其中$N_M$表示 $M$的Adaptive NMS 阈值，$dM$ 是目标$M$覆盖的密度。）

可以看出，这个抑制措施具有三个属性:

• 当相邻box远离$M$时，即$\mathrm{loU}(\mathrm{M},\mathrm{b}\mathrm{i})<N_t$时，他们的分值仍为 $s_i$；
• 如果M位于拥挤区域, 即 $\mathrm{d}\mathrm{M}>\mathrm{N}\mathrm{t}$, 则NMS的阈值为$M$的密度$dM$。因此，相邻的边框被保留，既然它们非常可能定位到M周围的其他目标；
• 如果目标在稀疏区域，即$\mathrm{d}\mathrm{M}<=\mathrm{N}\mathrm{t}$，则NMS的阈值为$Nt$ 。

（四）Adaptive-NMS的网络结构

文中将密度估计看作一个回归问题，使用如下的三层的卷积子网络进行预测,采用Smooth L1 损失。

Adaptive NMS的伪代码，与基本NMS算法相比仅替换了阈值。

八、NMS系列总结

（一）根据是否需要训练分类

• 不需要训练的NMS方法（NMS、Soft-NMS、Weighted-NMS、Cluster-NMS）
• 需要训练的NMS（softerNMS、ConvNMS、PureNMS、 IOU-GuidedNMS、AdaptiveNMS）

（二）根据改进策略进行分类

• 带权重的NMS(Soft NMS, Softer NMS，Weighted NMS)
• 考虑定位的NMS(IOU-Guided NMS)
• 阈值自适应的NMS(Adaptive NMS)
• 并行的NMS(Fast NMS, Cluster NMS)

参考：
NMS系列(NMS,Soft-NMS,Weighted-NMS,IOU-Guided NMS,Softer-NMS,Adaptive NMS,DIOU NMS,Cluster NMS)
NMS方法总结(不需要训练的NMS方法&&需要训练的NMS方法)