【论文解读】TPH-YOLOv5: Improved YOLOv5 Based on Transformer Prediction Head for Object Detection on Drone

Abstract

存在问题

1. 由于无人机会在不同的高度飞行，物体的尺度变化剧烈，这给网络的优化带来了负担。
2. 高速和低空飞行对排列密集的物体带来了运动模糊，这对物体的区分带来了巨大挑战。
   

文章提出的解决方法

1. 增加一个检测头来检测不同规模的对象
2. 用Transformer Prediction Heads 来替代原先的检测头
3. 用CBAM来寻找具有密集对象的场景中的注意区域
4. 除了以上三点，还使用了一些常用的tricks。例如：数据增强，多尺度测试，多模型集成，额外的分类器。

结果

1. VisDrone2021挑战赛取得了第五名(AP39.18%)与第一名(AP39.43)差距很小。

Introduction

1. 无人机场景下的图像主要有以下三个问题
   1. 尺度变化大
   2. 物体密集，造成遮挡
   3. 由于无人机拍摄场景覆盖面积大，图像中包含多种多样的地理元素
2. 网络组成
   1. Backbone与Neck部分与YOLOv5一致
   2. 在Head部分，额外添加了一个检测头用来检测图片中的Tiny物体，这样整个的TPH-YOLOV5的检测头部分总共有四部分，分别是Tiny，Small，Medium，Large
   3. 将原始的检测头用TPH替代
   4. 加入CBAM，用来寻找感兴趣的区域
3. 训练策略
   1. 采用数据增强，提升了网络对图像中尺度变化大的问题
   2. 推理阶段，采用多尺度测试和多模型集成策略
   3. 针对网络定位能力强，分类能力弱的问题，引入了一个ResNet18来更好的提高网络分类能力。

TPH-YOLOv5

1. Prediction head for tiny objects
   作者通过分析VisDrone数据集，发现数据集中存在许多小物体，因此加入了一个用于检测Tiny物体的检测头
2. Transformer encoder block
   1. 作者认为Transformer能够更好的捕获全局信息，因此替换掉了一些卷积层，得出transformer encoder blocks在处理密集物体场景中拥有更好的表现。
   2. 将transformer encoder blocks 放在backbone的尾部以及head部分的原因是为了特征图分辨率较低，能够有效降低昂贵的计算和内存成本
3. Convolutional block attention module（CBAM）
   用于网络在处理令人困惑的地理区域时，能够更改好的专注于有用的目标对象
4. Ms-testing and model ensemble.
   常规操作
5. Self-trained classifier.
   针对网络定位能力强，分类能力弱的问题，引入了一个ResNet18来更好的提高网络分类能力。

Experiments

1. Pytorch版本：1.81.
2. 显卡版本：RTX3090
3. 训练阶段具体细节
   1. 使用yolo5x预训练好权重，然后在此基础上用TPH-YOLOv5训练
   2. 由于VisDrone数据集比较小，因此只训练65个eopch，前2个用来warm-up
   3. 使用 adam optimizer，初始余弦学习率为3e-4
   4. 最后一个epoch的学习率，衰减到初始学习的0.12
   5. 由于图像分辨率比较大，因此使用的batch-size为2
      

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