目标检测算法——SSD

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背景介绍：

基于“Proposal + Classification” 的 Object Detection 的方法，R-CNN 系列（R-CNN、SPPnet、Fast R-CNN 以及 Faster R-CNN），取得了非常好的结果，但是在速度方面离实时效果还比较远在提高 mAP 的同时兼顾速度，逐渐成为 Object Detection 未来的趋势。 YOLO 虽然能够达到实时的效果，但是其 mAP 与刚面提到的 state of art 的结果有很大的差距。 YOLO 有一些缺陷：每个网格只预测一个物体，容易造成漏检；对于物体的尺度相对比较敏感，对于尺度变化较大的物体泛化能力较差。针对 YOLO 中的这些不足，该论文提出的方法 SSD 在这两方面都有所改进，同时兼顾了 mAP 和实时性的要求。在满足实时性的条件下，接近 state of art 的结果。对于输入图像大小为 300*300 在 VOC2007 test 上能够达到 58 帧每秒( Titan X 的 GPU )，72.1% 的 mAP。输入图像大小为 500 *500 , mAP 能够达到 75.1%。作者的思路就是Faster R-CNN+YOLO，利用YOLO的思路和Faster R-CNN的anchor box的思想。

关键点：

关键点1：网络结构

该论文采用 VGG16 的基础网络结构，使用前面的前 5 层，然后利用 astrous 算法将 fc6 和 fc7 层转化成两个卷积层。再格外增加了 3 个卷积层，和一个 average pool层。不同层次的 feature map 分别用于 default box 的偏移以及不同类别得分的预测（惯用思路：使用通用的结构(如前 5个conv 等)作为基础网络，然后在这个基础上增加其他的层），最后通过 nms得到最终的检测结果。

这些增加的卷积层的 feature map 的大小变化比较大，允许能够检测出不同尺度下的物体： 在低层的feature map,感受野比较小，高层的感受野比较大，在不同的feature map进行卷积，可以达到多尺度的目的。观察YOLO，后面存在两个全连接层，全连接层以后，每一个输出都会观察到整幅图像，并不是很合理。但是SSD去掉了全连接层，每一个输出只会感受到目标周围的信息，包括上下文。这样来做就增加了合理性。并且不同的feature map,预测不同宽高比的图像，这样比YOLO增加了预测更多的比例的box。（下图横向的流程）

关键点2：多尺度feature map得到 default boxs及其 4个位置偏移和21个类别置信度

对于不同尺度feature map（ 上图中 38x38x512，19x19x512, 10x10x512, 5x5x512, 3x3x512, 1x1x256） 的上的所有特征点： 以5x5x256为例 它的#defalut_boxes = 6

• 1 。按照不同的 scale 和 ratio 生成，k 个 default boxes，这种结构有点类似于 Faster R-CNN 中的 Anchor。(此处k=6所以：5*5*6 = 150 boxes)
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• 2 。新增加的每个卷积层的 feature map 都会通过一些小的卷积核操作，得到每一个 default boxes 关于物体类别的21个置信度 ( 20个类别和1个背景) 和4偏移 (shape offsets) 。
• 假设feature map 通道数为 p 卷积核大小统一为 3*3*p （此处p=256）。个人猜想作者为了使得卷积后的feature map与输入尺度保持一致必然有 padding = 1， stride = 1 ： 
• 假如feature map 的size 为 m*n, 通道数为 p，使用的卷积核大小为 3*3*p。每个 feature map 上的每个特征点对应 k 个 default boxes，物体的类别数为 c，那么一个feature map就需要使用 k(c+4)个这样的卷积滤波器，最后有 (m*n) *k* (c+4)个输出。

训练策略

监督学习的训练关键是人工标注的label。对于包含default box(在Faster R-CNN中叫做anchor)的网络模型（如： YOLO,Faster R-CNN, MultiBox）关键点就是如何把 标注信息(ground true box,ground true category)映射到（default box上）

正负样本： 给定输入图像以及每个物体的 ground truth,首先找到每个ground true box对应的default box中IOU最大的作为（与该ground true box相关的匹配）正样本。然后，在剩下的default box中找到那些与任意一个ground truth box 的 IOU 大于 0.5的default box作为（与该ground true box相关的匹配）正样本。 一个 ground truth 可能对应多个 正样本default box 而不再像MultiBox那样只取一个IOU最大的default box。其他的作为负样本（每个default box要么是正样本box要么是负样本box）。下图的例子是：给定输入图像及 ground truth，分别在两种不同尺度(feature map 的大小为 8*8，4*4)下的匹配情况。有两个 default box 与猫匹配（8*8），一个 default box 与狗匹配（4*4）。

目标函数，和常见的 Object Detection 的方法目标函数相同，分为两部分：计算相应的 default box 与目标类别的 score(置信度)以及相应的回归结果（位置回归）。置信度是采用 Softmax Loss（Faster R-CNN是log loss），位置回归则是采用 Smooth L1 loss （与Faster R-CNN一样采用 offset_PTDF靠近 offset_GTDF的策略：jian'xia'tu）。  其中：N代表正样本的数目

该论文是在 ImageNet 分类和定位问题上的已经训练好的 VGG16 模型中 fine-tuning 得到，使用 SGD，初始学习率为 , 冲量为 0.9，权重衰减为 0.0005，batchsize 为 32。不同数据集的学习率改变策略不同。新增加的卷积网络采用 xavier 的方式进行初始化。在预测阶段，直接预测每个 default box 的偏移以及对于每个类别相应的得分。最后通过 nms 的方式得到最后检测结果。 

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Default Box 的生成：

该论文中利用不同层的 feature map 来模仿学习不同尺度下物体的检测。

• scale: 假定使用 m 个不同层的feature map 来做预测，最底层的 feature map 的 scale 值为 ，最高层的为 ，其他层通过下面公式计算得到 
  
• ratio: 使用不同的 ratio值 计算 default box 的宽度和高度：，。另外对于 ratio = 1 的情况，额外再指定 scale 为 也就是总共有 6 中不同的 default box。
  
• default box中心：上每个 default box的中心位置设置成  ，其中  表示第k个特征图的大小  。

Hard Negative Mining：

用于预测的 feature map 上的每个点都对应有 6 个不同的 default box，绝大部分的 default box 都是负样本，导致了正负样本不平衡。在训练过程中，采用了 Hard Negative Mining 的策略（根据confidence loss对所有的box进行排序，使正负例的比例保持在1:3） 来平衡正负样本的比率。这样做能提高4%左右。

Data augmentation

为了模型更加鲁棒，需要使用不同尺寸的输入和形状，作者对数据进行了如下方式的随机采样：

• 使用整张图片
• 使用IOU和目标物体为0.1, 0.3，0.5, 0.7, 0.9的patch （这些 patch 在原图的大小的 [0.1,1] 之间， 相应的宽高比在[1/2,2]之间）
• 随机采取一个patch

当 ground truth box 的 中心（center）在采样的 patch 中时，我们保留重叠部分。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）。用数据增益通过实验证明，能够将数据mAP增加8.8%。

参考：

• SSD: Single Shot MultiBox Detector
  
• deepsystems.io
  
• SSD: Single Shot MultiBox Detector2
  
• github源码地址
• 论文阅读：SSD: Single Shot MultiBox Detector