C3F：首个开源人群计数算法框架

导读：52CV曾经报道多篇拥挤人群计数相关的技术，比如最近的：

CVPR 2019 | 西北工业大学开源拥挤人群数据集生成工具，大幅提升算法精度

视频监控的普及，需求推动技术的快速进步。

本文为首个PyTorch人群计数框架C3F开发者投稿，详细介绍了该框架的方方面面，欢迎大家参考。

开源地址：

https://github.com/gjy3035/C-3-Framework

近两年，有关人群计数的文章呈现出爆炸式增长。然而，人群计数不像其他任务（目标检测、语义分割等）有着简洁/易开发的开源代码框架，大大降低了我们对于idea的验证效率。

因此在2018年12月份，我萌生了自己搭一个人群计数框架的想法，尽可能兼顾当前主流数据集和主流算法。并于2019年3月底基本完成了主体框架。

代码发布之后，由于缺少对于代码细节的文档介绍，issues和emails让人应接不暇。所以，在这里对该项目做一个代码层面上的介绍，并辅之以一些实验分析来帮助大家有效提高网络性能。

更重要地，希望能够抛砖引玉，让大家利用C3F，更高效地研究出性能更好的人群计数网络，推动该领域的发展。

本文主要内容包括：

- 数据处理：不同数据集的处理过程。

- 模型：基于ImageNet分类模型设计的人群计数器以及我们复现的一些主流网络。

- 训练技巧：一些常见的网络训练技巧。

- 实验结果：在Shanghai Tech Part B数据集上的实验结果及分析。

- 总结

- 致谢

- Q&A：一些常见问题的解答。

1. 数据处理

我们提供了常见的六个主流数据库的预处理代码，处理好的数据集以及PyTorch下的data loader，包括：

  • UCF_CC_50[[1]]（UCF50），

  • Shanghai Tech Part A/B[[2]]（SHT A/B），

  • WorldExpo'10[[3]]（WE），

  • UCF-QNRF[[4]]（QNRF），

  • GCC[[5]]。

后期还会提供UCSD[[11]]和MALL[[12]]数据集的相关内容。

1.1 生成密度图-处理参数

注：

1. 为了能够使得输入图像兼容更多的网络，预处理时对图像的高和宽进行了限制，使其能够被16整除。确保网络中一些含有降采样操作的层（conv with stride2 或者池化）能够正确输出。在人群计数领域中，常见encoder中一般输出为1/8原图尺寸，因此被16整除完全满足需求。

2. 为节约显存，对QNRF和GCC的图像进行了保持长宽比的降采样操作。

1.2 多Batch-size训练

由于UCF50、SHT A、QNRF所包含的图像尺寸不一，为了实现多batch size的训练，我们重写了`collate_fn`函数。该函数在随机拿到N张图像和GT后，选择最小的高h_min和最小的宽w_min对所有图像进行crop，拼成Tensor送入到网络中进行训练。

根据经验，如果是from scratch training，对于这几个数据集建议采用多batch size训练或者采用GCC-SFCN中加padding的方案，对于有预训练参数的模型（AlexNet，VGG，ResNet等），建议采用单一batch size进行训练。

1.3 Label Transform

代码中我们提供了两种对密度图进行transform的操作。一种参考了CSRNet源码[[6]]中对密度图进行降采样的操作（`GTScaleDown`），一种是对密度图点乘一个放大因子（`LabelNormalize`）。

1.3.1 GTScaleDown

由于CSRNet中，网络回归的密度图为原图的1/8，因此作者对密度图进行了降采样，并点乘64以保证密度图之和依然约等于总人数。该操作会带来一个问题：会影响PSNR和SSIM的值。因此我们不建议使用该操作。在我们实现其他网络过程中，也会出现网络输出为1/4，1/8等尺寸，为避免该问题，在网络内部增加上采样层实现与原图大小的密度图。

1.3.2 LabelNormalize

这算是一个训练的trick，我们通过实验发现，对于密度图乘以一个较大的放大因子，可以使网络更快的收敛，甚至取得更低的估计误差。

1.4 数据增强

2 模型

这一部分，我们介绍几种常见分类网络（AlexNet，VGG，ResNet等）“魔改”为人群计数的网络。

2.1 Baseline模型

2.1.1 AlexNet

对于AlexNet网络[[7]]，我们小幅修改了conv1和conv2层的padding，以保证其对于feature map的大小能够正常整除。同时，截取conv5之前的网络，作为人群计数的encoder，其大小为原始输入的1/16。decoder的设计依然遵循简约的原则，用“两层卷积+上采样”直接回归到1-channel的密度图。

2.1.2 VGG系列：VGG和VGG+decoder

对于VGG网络[[8]]的两个变体，我们完全采用了VGG-16模型的前10个卷积层。其中，VGG采用了最为简单的decoder，而VGG+decoder则是简单设计了一个含有三个反卷积的模块。下表展示了二者在SHT上的实验结果。

VGG系列性能对比：

VGG系列可视化对比：

VGG结果

VGG+decoder结果

通过在SHT B上实验结果来看，两者的模型性能（MAE，MSE）差不多，但VGG+decoder有着更为精细的密度图。二者的性能非常接近CSRNet（同样的backbone）的结果。

2.1.3 ResNet系列：Res50和Res101

对于ResNet[[9]]，为了保证密度图的大小不至于过小（不小于原图尺寸的1/8），我们修改了res.layer3中第一层stride的大小（将原本的2改为1），以此当做encoder。本着简单的原则，decoder由两层卷积构成。从实验结果来看，ResNet展现除了强大的特征提取能力，在SHT B上直接达到了现有SOTA的水平。据我们所知，截止目前（2019.4），已发表/录用文章中最好的是PACNN+[[10]]，其MAE/MSE为：7.6/11.8。我们的模型在SHT B数据集上具体表现如下：

2.2 C3F框架下复现模型比较

除了上述基于ImageNet分类模型设计的Baselines以外，我们也尝试在C3F下复现了以下几个主流算法的结果，包括MCNN[[2]]，CMTL[[13]]，CSRNet[[6]]以及SANet[[14]]。我们复现的模型在SHT B数据集上具体表现如下：

注：

1. 在MCNN复现过程中，与原网络结构唯一不同在于，我们的MCNN处理的是RGB图像。

2. 原始的CMTL在训练前，通过随机裁剪生成好了训练集。我们采用在线裁剪的方法可以使训练覆盖更多的裁剪区域。此外，由于选择了在线裁剪，CMTL中的分类任务的标签页适应性地改成了在线计算与分配。

3. 据我们所知，SANet复现结果，是当前所有复现中最接近论文结果的，虽然这一结果与论文结果依然相差甚远。

3 训练技巧

3.1 LabelNormalize的调参

在C3F已公布的实验结果中，均对密度图进行了点乘100的操作。实验过程中，我们也发现，设置一个合适的放大因子，对于网络的有效训练非常有益。这一节，我们简要说一下为什么这样一个简单的操作会有效的原因。

一个初始化好的计数网络来说，自身参数符合一定的分布，如果目标分布和初始化分布相差过大的话，网络会陷入一个比较差的局部解，难以训练出好的结果。该特性在使用预训练分类模型的计数网络时，显得更为重要。

这一节，我们选择Res50网络，分别测试在对密度图分别乘以[1,10,100,1000,2000,4000]时，网络的计数性能差异。下表展示了不同放大因子下在SHT B上的实验结果。

我们发现，当采用原始密度图时，网络并不能正确收敛。观察结果发现，网络一直输出一张全0的密度图。陷入到一个局部解无法进一步优化。当放大因子为1000时，网络达到了最优性能。之后，随着放大因子的增加，网络的计数性能又逐步降低。

下图展示了在六组不同的放大因子下，MAE和MSE在验证集上随时间的变化曲线。橙色曲线表示对密度图不进行放大情况下，网络性能的表现。我们发现，网络陷入到一个局部解难以跳出。

不同放大因子的实验对比：

由于橙色曲线会干扰我们对其他参数曲线的对比，因此，下图展示了移除掉橙色曲线后，即放大因子为[10,100,1000,2000,4000]的曲线对比。从图中可以看出，除了放大因子取10时，效果较差，其他几种曲线重合度非常高。

不同放大因子的实验对比：

综上，我们设定一个较大的放大因子，不仅可以促使模型快速收敛，也可以帮助模型取得一个更优的性能。

3.2 特征图大小对比：1/8 size v.s 1/16 size

过小的特征图尺寸会对计数的性能产生非常大的影响。这里，我们进行两组对比试验：

1) ResNet-50中res.layer3以前的层原封不动当做backbone，最终输出密度图作16x的上采样;

2) C3F最终采用的方案，输出密度图作8x的上采样。

从实验结果可以看出，在将stride改为1后，模型输出了分辨率更高的密度图，同时在计数误差上取得了更好的效果。同时，我们也对比一下两者在训练过程中，测试集上MAE和MSE的表现，如下图所示。其中蓝色部分为stride=2的结果，橙色为stride=1的结果。能够很直观的看出，平滑后的曲线图，橙色曲线整体要低于蓝色曲线。（注：实验中，其他参数均与`results_reports/Res50/SHHB`中的设置保持一致。）

不同特征图大小的实验对比：

3.3 数据归一化中，均值和标准差对实验结果的影响

C3F中，在`misc`中我们提供了`cal_mean.py`来计算数据集中的训练数据中均值和标准差。大多数人会使用ImageNet的均值和标准差（也就是`mean=[0.485, 0.456, 0.406], std=[0.229, 0.224, 0.225]`），经过实测，该参数对最终的性能影响有限。我们继续使用Res50和MCNN网络进行试验，用两种均值、标准差进行归一化，比较最终的计数误差，结果见下表。（注：Res50实验中，其他参数均与`results_reports/Res50/SHHB`中的设置保持一致。MCNN实验则是与`results_reports/MCNN/SHHB`中的设置保持一致）

从表格中，我们可以看出，使用了自身数据集的均值和标准差，性能要略微优于使用ImageNet上的均值和标准差所得到的的结果。下图展示了训练过程中验证集上MAE和MSE的变化曲线，其中橙色代表采用了SHT B的均值和标准差的实验，蓝色则为采用了ImageNet的结果。从图中可以看出，二者的重合度非常高。

Res50：不同均值标准差的实验对比：

MCNN：不同均值标准差的实验对比

由于人群图像和ImageNet数据均属于自然图像，计算出的均值和标准差也比较类似。因此，改值对实验结果的影响并不是很大。当然，影响程度也与数据集有关，如果数据具有很强的偏置，最好还是采用数据对应的均值和标准差。总的来说，我们还是建议使用训练数据的均值和标准差，以取得更好的计数性能。

4 实验结果

本节，我们将复现的所有算法在SHT B上的性能展示出来，方便大家做最终的对比。我们发现，得益于ResNet-101强大的学习能力，以其为Backbone的人群计数器在MAE和MSE指标上超越了其他所有算法。此外，我们还发现，对于有预训练参数的网络，甚至可以不需要对网络进行过多的设计，例如Dilated Conv、Multi-column Conv、Scale Aggregation等，就可以达到一个较好的结果。

5 总结展望

本项目旨在提供一个简单、高效、易用、灵活的人群计数框架，方便新手快速上手入门、资深研究者高效实现idea以及最大化模型性能。

本技术报告则是对该项目的一个简单介绍，使大家能够对我们的项目有一个更深的理解，这样用起来也会更加顺手，最大化框架的使用度。

同时，我们英文Technical Report（为本文的精简内容）也将在arxiv上预印。如果大家有任何问题、建议，欢迎大家在仓库中提issue和PR，让C3F变得更好！

6 致谢

在整个项目推进的过程中，得到了很多人的大力支持。

特别地，感谢@wwwzxoe303com对关键代码的检查和测试，感谢@PetitBai对项目Readme.md的校对，感谢Google Colab提供免费实验资源。

此外，我们的部分代码、设计逻辑参考或直接借用了以下作者的仓库/项目/代码，在此一并表示感谢！正是有了以下几个出色的开源代码，我们才得以完成C3F项目。

py-faster-rcnn：

https://github.com/rbgirshick/py-faster-rcnn)

pytorch-semantic-segmentation：

https://github.com/zijundeng/pytorch-semantic-segmentation

CSRNet-pytorch：

https://github.com/leeyeehoo/CSRNet-pytorch

SANet_implementation：

https://github.com/BIGKnight/SANet_implementation

enet.pytorch：

https://github.com/gjy3035/enet.pytorch

GCC-SFCN：

https://github.com/gjy3035/GCC-SFCN

PCC-Net：

https://github.com/gjy3035/PCC-Net（论文尚未发表，因此暂未公开源码）

7 Q&A

1. Q：能否提供Python3环境下的代码？

A：会，但现在时机不成熟。原因是Tensorboard暂时还不支持Python3.7，加之人手不足，暂无开发计划。

2. Q：为什么在SHT B上做实验？以后会不会对其他数据集进行验证？

A：因为图像尺寸相同，便于多batch-size的训练和测试，能够最大化利用显卡，节省显卡资源和训练时间。对于其他数据集，由于自己的时间有限，也没有足够的显卡资源，暂时不会做其他数据集实验。

3. Q：语义分割和人群计数非常类似，能不能直接用一些分割网络呢？

A：二者同属于逐像素任务，前者为逐像素分类，后者为逐像素回归。根据我的实验，某些分割网络直接修改最后一层为回归层后，其效果与backbone相比，提升非常有限。甚至性能会有所下降。深层问题暂时还没有仔细思考。不过据我所知，有人对此问题已经做了研究，大家耐心等待即可。

4. Q：正确的训练、验证、测试流程应该是怎样的？

A：严格意义上，所有数据集应该都包含以上三种数据（如果没有验证集，则应该从训练集中随机选择一部分）。在本项目中，为了能够确保所有实验结果可以复现，我们直接将测试集当做验证集来监控训练过程。

5. Q：部分模型会在PyTorch1.0下报上采样函数`F.upsample`的警告信息。

A：该警告不影响训练。为了兼容0.4版本，我们依然采用`F.upsample`方法来对Tensor进行放大尺寸的操作。

参考文献

[1] H. Idrees, I. Saleemi, C. Seibert, and M. Shah. Multi-source multi-scale counting in extremely dense crowd images. In CVPR, 2013.

[2] Y. Zhang, D. Zhou, S. Chen, S. Gao, and Y. Ma. Single image crowd counting via multi-column convolutional neural network. In CVPR, 2016.

[3] C. Zhang, K. Kang, H. Li, X. Wang, R. Xie, and X. Yang. Data-driven crowd understanding: a baseline for a largescale crowd dataset. IEEE T-MM, 2016.

[4] H. Idrees, M. Tayyab, K. Athrey, D. Zhang, S. Al-Maadeed, N. Rajpoot, and M. Shah.  Composition loss for counting, density map estimation and localization in dense crowds. In ECCV, 2018.

[5] Q. Wang, J. Gao, W. Lin, and Y. Yuan. Learning from synthetic data for crowd counting in the wild. In CVPR, 2019.

[6] Y. Li, X. Zhang, and D. Chen. Csrnet: Dilated convolutional neural networks for understanding the highly congested scenes. In CVPR, 2018.

[7] A. Krizhevsky, I. Sutskever, and G. Hinton. Imagenet classification with deep convolutional neural networks. In NIPS, 2012.

[8] K. Simonyan and A. Zisserman. Very deep convolutional networks for large-scale image recognition. In ICLR, 2015.

[9] K. He, X. Zhang, S. Ren, and J. Sun. Deep residual learning for image recognition. In CVPR, 2016.

[10] M. Shi, Z. Yang, C. Xu, and Q. Chen. Revisiting Perspective Information for Efficient Crowd Counting. In CVPR, 2019.

[11] A. B. Chan, Z.-S. J. Liang, and N. Vasconcelos. Privacy preserving crowd monitoring: Counting people without people models or tracking. In CVPR, 2008.

[12] K. Chen, C. C. Loy, S. Gong, and T. Xiang. Feature mining for localised crowd counting. In BMVC, 2012.

[13] V. A. Sindagi and V. M. Patel. Cnn-based cascaded multitask learning of high-level prior and density estimation for crowd counting. In AVSS, 2017.

[14] X. Cao, Z. Wang, Y. Zhao, and F. Su. Scale aggregation network for accurate and efficient crowd counting. In ECCV, 2018.

开源地址：

https://github.com/gjy3035/C-3-Framework

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