基于深度学习的目标检测算法：Faster R-CNN

问题引入：

        R-CNN、SPP net、Fast R-CNN等目标检测算法，它们proposals都是事先通过selecetive search方法得到。然而，这一过程将耗费大量的时间，从而影响目标检测系统的实时性。Faster R-CNN针对这一问题，提出了Region Proposal Network(RPN)，利用RPN模型来得到proposals，此外，为了节省时间，该模型与目标检测模型Fast R-CNN模型共享卷积层，这样实现了端到端的目标检测。

Region Proposal Network(RPN)：

        RPN模型以任意大小的图像作为输入，输出一系列候选目标框，以及每个候选目标框是目标的可能性。

        对于ZF模型，假设给定600*1000的输入图像，最后一个共享的卷积层输出的特征图，可以看作是尺度为51*39的256通道的图像。对于该图像上的每一个位置，考虑9个可能的候选窗口，即：三种面积{128*128， 256*256， 515*512}，三种比列{1:1, 1:2, 2:1}，这些候选窗口称为anchors。图1中有51*39个anchor中心，以及9种anchor示例。

图1

        在这个特征图上，采用3*3的卷积核进行卷积，在每个3*3的区域卷积后得到256维的特征向量（在这个卷积过程中，参数个数为3*3*256*256），每一个特征向量输入到两个全连接层中，其中，cls layer输出2*k个score， 用于判断目标和非目标的估计概率；reg layer输出4*k个coordinates，（x, y w, h）用于确定目标的位置；k表示在每个卷积位置上anchor的数目。该过程如图2所示：

图2

       在训练 LRN时，采用如下的方式创建训练样本：若anchor与某个真实区域的重叠度最大，或者与某个真实区域的重叠度大于0.7，则将该anchor标定为正样本；如果anchor与所有的真实区域的重叠度都小于0.3，则将该anchor标定为负样本；并且，采用类似于Fast R-CNN中的multi-task loss，即：

       其中，（x, y, w, h）表示预测出的目标框，（xa, ya, wa, ha）表示对应的anchor box，（x*, y*, w* , h*）表示对应的ground truth

       此外，在训练的过程中，由于图像中的negative anchors比较多，为了防止损失函数偏好于负样本，从图像中随机选取256个anchors，且positive anchors与negative anchors的比例为1：1，如果positive anchors的个数小于128时，利用negative anchors来填补。对于跨越图像边界的anchors需要小心处理，在训练时，忽略所有跨越图像边界的anchors，这样它们就不会对损失函数有影响；在测试时，将其进行裁剪到图像边缘处。

RPN and Fast R-CNN

        RPN与Fast R-CNN 共享卷积层，如果单独训练两个模型的话，他们将以不同的方式修改卷积层。因此，该论文提出了一下三种方式训练模型：

        交替训练：先训练RPN，再用proposals训练Fast R-CNN，然后用微调后的Fast R-CNN初始化RPN，迭代上述过程。

        近似联合训练：直接在图3结构上训练，在backward计算梯度时，把提取的ROI区域看成固定值，对于共享的卷积层，需要同时考虑RPN的损失和Fast R-CNN的损失，

        联合训练：直接在图3结构上训练，在backward计算梯度时，要考虑ROI区域变化的影响。

        在论文中采用了4-Step Alternating Training 方法，也就是，第一步：训练RPN，使用在ImageNet上预训练的模型进行初始化；第二步：采用RPN产生的proposals来训练Fast R-CNN，也使用在ImageNet上预训练的模型进行初始化；第三步：使用Fast R-CNN来初始化RPN，在训练RPN时，共享的卷积层保持不变，只调节RPN特有的层；第四步：训练Fast R-CNN，但是共享的卷积层保持不变，只调节Fast R-CNN中特有的层。

图3  ZF