目标检测方法——SSD

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1 SSD基础原理

1.1 SSD网络结构

SSD使用VGG-16-Atrous作为基础网络，其中黄色部分为在VGG-16基础网络上填加的特征提取层。SSD与yolo不同之处是除了在最终特征图上做目标检测之外，还在之前选取的5个特特征图上进行预测。
SSD图1为SSD网络进行一次预测的示意图，可以看出，检测过程不仅在填加特征图(conv8_2, conv9_2, conv_10_2, pool_11)上进行，为了保证网络对小目标有很好检测效果，检测过程也在基础网络特征图(conv4_3, conv_7)上进行。

1.2 SSD网络的损失函数

注意：图中fc6, fc7名为fc，其实是卷积层。
SSD图2为整个SSD训练网络的结构，由于图像所含层数太多，网络中不能看到每层细节，我重画其中部分层为绿色，作为代表。可以看出，GT标签在分特征图上生成priorbox，即再将所有priobox组合为mbox_priorbox作为所有默认框的真实值。再看预测过程，会在所选取的特征图进行两个 3x3卷积，其中一个输出每个默认框的位置(x, y, w, h)四个值，另一个卷积层输出每个默认框检测到不同类别物体的概率，输出个数为预测类别个数。再将所有的默认框位置整合为mbox_loc，将所有默认框预测类别的向量组合为mbox_conf。mbox_loc、mbox_conf为所有预测默认框，将它与所有默认框的真实值mbox_priorbox进行计算损失，得到mbox_loss。
图中data下方每个priorbox都对应了min_size与max_size，表示不同特征图上的默认框在原图上的最小与最大感受野。关于不同特征图上的min_size与max_size，论文中给出的计算公式，可惜与实现的prototxt中的参数并不对应。
SSD的损失函数如图3所示，由每个默认框的定位损失与分类损失构成。

1.3 SSD网络训练技巧

1.3.1 数据增强

SSD训练过程中使用的数据增强对网络性能影响很大，大约有6.7%的mAP提升。

(1) 随机剪裁：采样一个片段，使剪裁部分与目标重叠分别为0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9，剪裁完resize到固定尺寸。

(2) 以0.5的概率随机水平翻转。

1.3.2 是否在基础网络部分的conv4_3进行检测

基础网络部分特征图分辨率高，原图中信息更完整，感受野较小，可以用来检测图像中的小目标，这也是SSD相对于YOLO检测小目标的优势所在。增加对基础网络conv4_3的特征图的检测可以使mAP提升4%。

1.3.3 使用瘦高与宽扁默认框

数据集中目标的开关往往各式各样，因此挑选合适形状的默认框能够提高检测效果。作者实验得出使用瘦高与宽扁默认框相对于只使用正方形默认框有2.9%mAP提升。

1.3.4 使用atrous卷积

通常卷积过程中为了使特征图尺寸特征图尺寸保持不变，通过会在边缘打padding，但人为加入的padding值会引入噪声，因此，使用atrous卷积能够在保持感受野不变的条件下，减少padding噪声，关于atrous参考。本文SSD训练过程中并且没有使用atrous卷积，但预训练过程使用的模型为VGG-16-atrous，意味着作者给的预训练模型是使用atrous卷积训练出来的。使用atrous版本VGG-16作为预训模型比较普通VGG-16要提高0.7%mAP。

1.4 实验结论

作者发现SSD对小目标检测效果不好(但也比YOLO要好，因此多特征图检测)，这是因为小物体在高层特征图上保留很少的信息，通过增加输入图像的尺寸能够解决对小物体检测效果。

1.5 参考

ssd详解
关于atrous

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SSD，全称Single Shot MultiBox Detector，是Wei Liu在ECCV 2016上提出的一种目标检测算法，截至目前是主要的检测框架之一，相比Faster RCNN有明显的速度优势，相比YOLO又有明显的mAP优势（不过已经被CVPR 2017的YOLO9000超越）。SSD具有如下主要特点：

1. 从YOLO中继承了将detection转化为regression的思路，同时一次即可完成网络训练
2. 基于Faster RCNN中的anchor，提出了相似的prior box；
3. 加入基于特征金字塔（Pyramidal Feature Hierarchy）的检测方式，相当于半个FPN思路

本文接下来都以SSD 300为例进行分析。

1 SSD网络结构

图2 SSD网络结构（和代码貌似有点差别）

缩进上图2是原论文中的SSD 300网络结构图。可以看到YOLO在卷积层后接全连接层，即检测时只利用了最高层feature maps（包括Faster RCNN也是如此）；而SSD采用了特征金字塔结构进行检测，即检测时利用了conv4-3，conv-7（FC7），conv6-2，conv7-2，conv8_2，conv9_2这些大小不同的feature maps，在多个feature maps上同时进行softmax分类和位置回归，如图3。

图3 单层feature map预测和特征金字塔预测对比

2 Prior Box

缩进在SSD中引入了Prior Box，实际上与anchor非常类似，就是一些目标的预选框，后续通过softmax分类+bounding box regression获得真实目标的位置。SSD按照如下规则生成prior box：

• 以feature map上每个点的中点为中心（offset=0.5），生成一些列同心的prior box（然后中心点的坐标会乘以step，相当于从feature map位置映射回原图位置）
• 正方形prior box最小边长为，最大边长为：
• 每在prototxt设置一个aspect ratio，会生成2个长方形，长宽为： 和 

图4 prior box

• 而每个feature map对应prior box的min_size和max_size由以下公式决定，公式中m是使用feature map的数量（SSD 300中m=6）：

第一层feature map对应的min_size=S1，max_size=S2；第二层min_size=S2，max_size=S3；其他类推。在原文中，Smin=0.2，Smax=0.9，但是在SSD 300中prior box设置并不能和paper中上述公式对应：

	min_size	max_size
conv4_3	30	60
fc7	60	111
conv6_2	111	162
conv7_2	162	213
conv8_2	213	264
conv9_2	264	315

不过依然可以看出，SSD使用低层feature map检测小目标，使用高层feature map检测大目标，这也应该是SSD的突出贡献了。其中SSD 300在conv4_3生成prior box的conv4_3_norm_priorbox层prototxt定义如下：

layer {
  name: "conv4_3_norm_mbox_priorbox"
  type: "PriorBox"
  bottom: "conv4_3_norm"
  bottom: "data"
  top: "conv4_3_norm_mbox_priorbox"
  prior_box_param {
    min_size: 30.0
    max_size: 60.0
    aspect_ratio: 2
    flip: true
    clip: false
    variance: 0.1
    variance: 0.1
    variance: 0.2
    variance: 0.2
    step: 8
    offset: 0.5
  }
}

知道了priorbox如何产生，接下来分析prior box如何使用。这里以conv4_3为例进行分析。

图5

从图5可以看到，在conv4_3 feature map网络pipeline分为了3条线路：

• 经过一次batch norm+一次卷积后，生成了[1, num_class*num_priorbox, layer_height, layer_width]大小的feature用于softmax分类目标和非目标（其中num_class是目标类别，SSD 300中num_class = 21)
• 经过一次batch norm+一次卷积后，生成了[1, 4*num_priorbox, layer_height, layer_width]大小的feature用于bounding box regression（即每个点一组[dxmin，dymin，dxmax，dymax]，参考Faster RCNN 2.5节）
• 生成了[1, 2, 4*num_priorbox]大小的prior box blob，其中2个channel分别存储prior box的4个点坐标和对应的4个variance

缩进后续通过softmax分类+bounding box regression即可从priox box中预测到目标，熟悉Faster RCNN的读者应该对上述过程应该并不陌生。其实pribox box的与Faster RCNN中的anchor非常类似，都是目标的预设框，没有本质的差异。区别是每个位置的prior box一般是4~6个，少于Faster RCNN默认的9个anchor；同时prior box是设置在不同尺度的feature maps上的，而且大小不同。

缩进还有一个细节就是上面prototxt中的4个variance，这实际上是一种bounding regression中的权重。在图4线路(2)中，网络输出[dxmin，dymin，dxmax，dymax]，即对应下面代码中bbox；然后利用如下方法进行针对prior box的位置回归：

decode_bbox->set_xmin(
    prior_bbox.xmin() + prior_variance[0] * bbox.xmin() * prior_width);
decode_bbox->set_ymin(
    prior_bbox.ymin() + prior_variance[1] * bbox.ymin() * prior_height);
decode_bbox->set_xmax(
    prior_bbox.xmax() + prior_variance[2] * bbox.xmax() * prior_width);
decode_bbox->set_ymax(
    prior_bbox.ymax() + prior_variance[3] * bbox.ymax() * prior_height);

上述代码可以在SSD box_utils.cpp的void DecodeBBox()函数见到。

3 Permute，Flatten And Concat Layers

图6

缩进上一节以conv4_3 feature map分析了如何检测到目标的真实位置，但是SSD 300是使用包括conv4_3在内的共计6个feature maps一同检测出最终目标的。在网络运行的时候显然不能像图6一样：一个feature map单独计算一次softmax socre+box regression（虽然原理如此，但是不能如此实现）。那么多个feature maps如何协同工作？这时候就要用到Permute，Flatten和Concat这3种层了。其中conv4_3_norm_conf_perm的prototxt定义如下：

layer {
  name: "conv4_3_norm_mbox_conf_perm"
  type: "Permute"
  bottom: "conv4_3_norm_mbox_conf"
  top: "conv4_3_norm_mbox_conf_perm"
  permute_param {
    order: 0
    order: 2
    order: 3
    order: 1
  }
}

Permute是SSD中自带的层，上面conv4_3_norm_mbox_conf_perm的的定义。Permute相当于交换caffe blob中的数据维度。在正常情况下caffe blob的顺序为：

bottom blob = [batch_num, channel, height, width]

经过conv4_3_norm_mbox_conf_perm后的caffe blob为：

top blob = [batch_num, height, width, channel]

而Flattlen和Concat层都是caffe自带层，请参照caffe official documentation理解。

图7 SSD中部分层caffe blob shape变化

缩进那么接下来以conv4_3和fc7为例分析SSD是如何将不同size的feature map组合在一起进行prediction。图7展示了conv4_3和fc7合并在一起的过程中caffe blob shape变化（其他层类似，考虑到图片大小没有画出来，请脑补）。

• 对于conv4_3 feature map，conv4_3_norm_priorbox（priorbox层）设置了每个点共有4个prior box。由于SSD 300共有21个分类，所以conv4_3_norm_mbox_conf的channel值为num_priorbox * num_class = 4 * 21 = 84；而每个prior box都要回归出4个位置变换量，所以conv4_3_norm_mbox_loc的caffe blob channel值为4 * 4 = 16。
• fc7每个点有6个prior box，其他feature map同理。
• 经过一系列图7展示的caffe blob shape变化后，最后拼接成mbox_conf和mbox_loc。而mbox_conf后接reshape，再进行softmax（为何在softmax前进行reshape，Faster RCNN有提及）。
• 最后这些值输出detection_out_layer，获得检测结果

4 SSD网络结构优劣分析

缩进SSD算法的优点应该很明显：运行速度可以和YOLO媲美，检测精度可以和Faster RCNN媲美。除此之外，还有一些鸡毛蒜皮的优点，不解释了。这里谈谈缺点：

1. 需要人工设置prior box的min_size，max_size和aspect_ratio值。网络中prior box的基础大小和形状不能直接通过学习获得，而是需要手工设置。而网络中每一层feature使用的prior box大小和形状恰好都不一样，导致调试过程非常依赖经验。
2. 虽然采用了pyramdial feature hierarchy的思路，但是对小目标的recall依然一般，并没有达到碾压Faster RCNN的级别。作者认为，这是由于SSD使用conv4_3低级feature去检测小目标，而低级特征卷积层数少，存在特征提取不充分的问题。

5 SSD训练过程

缩进对于SSD，虽然paper中指出采用了所谓的“multibox loss”，但是依然可以清晰看到SSD loss分为了confidence loss和location loss两部分，其中N是match到GT（Ground Truth）的prior box数量；而α参数用于调整confidence loss和location loss之间的比例，默认α=1。SSD中的confidence loss是典型的softmax loss：

其中代表第i个prior box匹配到了第j个class为p类别的GT box；而location loss是典型的smooth L1 loss：

Matching strategy：

缩进在训练时，groundtruth boxes 与 default boxes（就是prior boxes） 按照如下方式进行配对：

• 首先，寻找与每一个ground truth box有最大的jaccard overlap的default box，这样就能保证每一个groundtruth box与唯一的一个default box对应起来（所谓的jaccard overlap就是IoU，如图8）。
• SSD之后又将剩余还没有配对的default box与任意一个groundtruth box尝试配对，只要两者之间的jaccard overlap大于阈值，就认为match（SSD 300 阈值为0.5）。
• 显然配对到GT的default box就是positive，没有配对到GT的default box就是negative。

图8 jaccard overlap

Hard negative mining：

缩进值得注意的是，一般情况下negative default boxes数量>>positive default boxes数量，直接训练会导致网络过于重视负样本，从而loss不稳定。所以需要采取：

• 所以SSD在训练时会依据confidience score排序default box，挑选其中confidience高的box进行训练，控制positive：negative=1：3

Data augmentation：

缩进数据增广，即每一张训练图像，随机的进行如下几种选择：

• 使用原始的图像
• 采样一个 patch，与物体之间最小的 jaccard overlap 为：0.1，0.3，0.5，0.7 或 0.9
• 随机的采样一个 patch

采样的 patch 是原始图像大小比例是[0.1，1]，aspect ratio在1/2与2之间。当 groundtruth box 的 中心（center）在采样的patch中时，保留重叠部分。在这些采样步骤之后，每一个采样的patch被resize到固定的大小，并且以0.5的概率随机的 水平翻转（horizontally flipped）。

其实Matching strategy，Hard negative mining，Data augmentation，都是为了加快网络收敛而设计的。尤其是Data augmentation，翻来覆去的randomly crop，保证每一个prior box都获得充分训练而已。不过当数据达到一定量的时候，不建议再进行Data augmentation，毕竟“真”的数据比“假”数据还是要好很多。