【目标检测】FastRCNN算法详解

摘自沈晓璐
有待补充自己的理解.

继2014的RCNN之后，推出了FastRCNN ,构思精巧，流程更为紧凑，大幅提升了目标检测的速度。
同样使用最大规模的网络，FastRCNN 和RCNN相比，训练时间从84小时减少为9.5小时，测试时间从47秒，减少为0.32秒，在PASCAL VOC 2007上的准确率相差无几，约在66%-67%之间.

思想

基础：RCNN

简单来说，RCNN使用以下4步实现目标检测：
a.在图像中确定约1000-2000个候选框
b.对于每个候选框内图像块，使用深度网络提取特征
c.对候选框中提取出的特征，使用分类器判别是否属于一个特定类
d. 对于属于某一特征的候选框，用回归器进一步调整其位置

改进：FastRCNN

解决了RCNN的三个问题：

问题一：测试速度慢

**原因：**RCNN一张图像内候选框之间大量重叠，提取特征操作冗余
解决：本文将整张图像归一化后直接送入深度网络。在邻接时，才加入候选框信息，在末尾的少数几层处理每个候选框。

问题二：训练速度慢

原因同上
解决：在训练时，本文先将一张图像送入网络，紧接着送入从这幅图象上提取出的候选区域。这些候选区域的前几层特征（不懂）不需要再重复计算。

问题三：训练所需空间大

RCNN中独立的分类器和回归器需要大量特征作为训练样本。
本文把类别判断和位置精调统一用深度网络实现，不再需要额外存储。

特征提取网络

基本结构
图像归一化为224×224直接送入网络
前5阶段是基础的conv + relu + pooling形式，在第五阶段结尾，输入P个候选区域（图像序号×1+几何位置×4，序号用于训练）？

注意：文中给出了大中小三种网络，此处是最大的一种，三种网络基本结构相似，仅Conv+Relu层数有差别，或者增删了norm层

roi_pool层的测试（forward）

roi_pool 层将每个候选区域均匀分成M×N块，对每块进行max pooling，将特征图上大小不一的候选区域转变为大小统一的数据，送入下一层。

roi_pool 层的训练（backward）

首先考虑普通max pooling层。设 xi x i 为输入层的节点， yj y j 为输出层的节点。

其中判决函数 δ δ （i，j）表示i结点是否被j节点选为最大值输出。不被选中有两种可能：
xi x i 不在 yj y j 范围内；
xi x i 不是最大值
对于roi max pooling，一个输入节点可能和多个输出节点相连。设 xi x i 为输入层的节点， yrj y r j 为第r个候选区域的第j个输出节点。


判决函数表示i节点是否被候选区域r的第j个节点选为最大值输出。代价对于 xi x i 的梯度等于所有相关的后一层梯度和。

网络参数训练

参数初始化

网络除去末尾部分如下图，在ImageNet上训练1000类分类器，结果参数作为相应层的初始化参数。

其余参数随机初始化。

分层数据

在调优训练时，每一个mini-batch中首先加入N张完整图片，而后加入从N张图片中选取的R个候选框。这R个候选框可以复用N张图片前5个阶段的网络特征。
实际选择N=2，R=128。

训练数据构成

N张完整图片以50%概率水平翻转。
R个候选框的构成方式如下：

类别	比例	方式
前景	25%	与某个真值重叠在[0.5,1]的候选框
背景	75%	与某个真值重叠在[0.1,0.5]的候选框

分类位置与调整

数据结构

第五阶段的特征输入到两个并行的全连层中（称为multi-task）

cls_score层用于分类，输出K+1维数组p,表示属于K类和背景的概率。
bbox_prdict层用于调整候选区域位置，输出4*k维数组t,表示分别属于K类时，应该平移缩放的参数。

代价函数：

loss_cls层评估分类代价。由真实分类u对应的概率决定：

Lcls=−logpu L c l s = − l o g p u

loss_bbox评估检测框定位代价，比较真实分类对应的预测参数 tu t u 和真实平移缩放参数为v的差别：

Lloc=∑i=14g(tui−vi) L l o c = ∑ i = 1 4 g ( t i u − v i )

g g 为Smooth L1误差，对outlier不敏感：

g(x)={0.5x2|x|−0.5|x|<1otherwise g ( x ) = { 0.5 x 2 | x | < 1 | x | − 0.5 o t h e r w i s e

总代价为这两者加权和，如果分类为背景则不考虑定位代价：

L={Lcls+λLlocLclsu为前景u为背景 L = { L c l s + λ L l o c u 为 前 景 L c l s u 为 背 景

源码中bbox_loss_weight 用于标记每一个bbox是否属于某一个类

全连接提速

分类和位置调整都是通过全连接层实现的，设前一级数据为x后一级为y,全连接层参数为W，尺寸为u*v。一次前向传播即为：

y=W∗x y = W ∗ x

计算复杂度为

u∗v u ∗ v

将W进行 SVD分解，并用前t个特征值近似：

W=UΣVT≈U(:,1:t)⋅Σ(1:t,1:t)⋅V(:,1:t)T W = U Σ V T ≈ U ( : , 1 : t ) ⋅ Σ ( 1 : t , 1 : t ) ⋅ V ( : , 1 : t ) T

原来的前向传播分解成两步：

y=Wx=U⋅(Σ⋅VT)⋅x=U⋅z y = W x = U ⋅ ( Σ ⋅ V T ) ⋅ x = U ⋅ z

计算复杂度变为 u×t+v×t u × t + v × t
在实现时，相当于把一个全连接层拆分成两个，中间以一个低维数据相连。

实验与结论

–网络末端同步训练的分类和位置调整，提升准确率；
–使用多尺度的图像金字塔，性能几乎没有提高；
–倍增训练数据，能够有2%~3%的准确度提升；
–网络直接输出各类概率（softmax），比SVM分类器性能略好；
–更多候选窗不能提升性能