深度学习实践经验：用Faster R-CNN训练Caltech数据集——训练检测

前言

前面已经介绍了如何准备数据集，以及如何修改数据集读写接口来操作数据集，接下来我来说明一下怎么来训练网络和之后的检测过程。

修改模型文件

faster rcnn有两种各种训练方式:

• Alternative training(alt-opt)
• Approximate joint training(end-to-end)

两种方法有什么不同，可以参考我这篇博客，推荐使用第二种，因为第二种使用的显存更小，而且训练会更快，同时准确率差不多，两种方式需要修改的代码是不一样的，同时faster rcnn提供了三种训练模型，小型的ZF model，中型的VGG_CNN_M_1024和大型的VGG16,论文中说VGG16效果比其他两个好，但是同时占用更大的GPU显存(~11GB)

我使用的是VGG model + alternative training，需要检测的类别只有一类，加上背景所以总共是两类(background + person)。

下面修改模型文件：

1. py-faster-rcnn/models/pascal_voc/VGG16/faster_rcnn_alt_opt/stage1_fast_rcnn_train.pt

   layer {  
    name: 'data'  
    type: 'Python'  
    top: 'data'  
    top: 'rois'  
    top: 'labels'  
    top: 'bbox_targets'  
    top: 'bbox_inside_weights'  
    top: 'bbox_outside_weights'  
    python_param {  
      module: 'roi_data_layer.layer'  
      layer: 'RoIDataLayer'  
      param_str: "'num_classes': 2" #按训练集类别改，该值为类别数+1  
    }  
   }  

   layer {  
    name: "cls_score"  
    type: "InnerProduct"  
    bottom: "fc7"  
    top: "cls_score"  
    param { 
    lr_mult: 1.0
    }  
    param {
    lr_mult: 2.0 
    }  
    inner_product_param {  
      num_output: 2 #按训练集类别改，该值为类别数+1  
      weight_filler {  
        type: "gaussian"  
        std: 0.01  
      }  
      bias_filler {  
        type: "constant"  
        value: 0  
      }  
    }  
   } 

   layer {  
    name: "bbox_pred"  
    type: "InnerProduct"  
    bottom: "fc7"  
    top: "bbox_pred"  
    param { 
    lr_mult: 1.0 
    }  
    param { 
    lr_mult: 2.0 
    }  
    inner_product_param {  
      num_output: 8 #按训练集类别改，该值为（类别数+1）*4，四个顶点坐标  
      weight_filler {  
        type: "gaussian"  
        std: 0.001  
      }  
      bias_filler {  
        type: "constant"  
        value: 0  
      }  
    }  
   }  

2. py-faster-rcnn/models/pascal_voc/VGG16/faster_rcnn_alt_opt/stage1_rpn_train.pt

   layer {  
    name: 'input-data'  
    type: 'Python'  
    top: 'data'  
    top: 'im_info'  
    top: 'gt_boxes'  
    python_param {  
      module: 'roi_data_layer.layer'  
      layer: 'RoIDataLayer'  
      param_str: "'num_classes': 2" #按训练集类别改，该值为类别数+1  
    }  
   }  

3. py-faster-rcnn/models/pascal_voc/VGG16/faster_rcnn_alt_opt/stage2_fast_rcnn_train.pt

   layer {  
    name: 'data'  
    type: 'Python'  
    top: 'data'  
    top: 'rois'  
    top: 'labels'  
    top: 'bbox_targets'  
    top: 'bbox_inside_weights'  
    top: 'bbox_outside_weights'  
    python_param {  
      module: 'roi_data_layer.layer'  
      layer: 'RoIDataLayer'  
      param_str: "'num_classes': 2" #按训练集类别改，该值为类别数+1  
    }  
   }  

   layer {  
    name: "cls_score"  
    type: "InnerProduct"  
    bottom: "fc7"  
    top: "cls_score"  
    param { 
    lr_mult: 1.0 
    }  
    param { 
    lr_mult: 2.0 
    }  
    inner_product_param {  
      num_output: 2 #按训练集类别改，该值为类别数+1  
      weight_filler {  
        type: "gaussian"  
        std: 0.01  
      }  
      bias_filler {  
        type: "constant"  
        value: 0  
      }  
    }  
   }  

   layer {  
    name: "bbox_pred"  
    type: "InnerProduct"  
    bottom: "fc7"  
    top: "bbox_pred"  
    param { 
    lr_mult: 1.0
    }  
    param { 
    lr_mult: 2.0 
    }  
    inner_product_param {  
      num_output: 8 #按训练集类别改，该值为（类别数+1）*4,四个顶点坐标  
      weight_filler {  
        type: "gaussian"  
        std: 0.001  
      }  
      bias_filler {  
        type: "constant"  
        value: 0  
      }  
    }  
   }  

4. py-faster-rcnn/models/pascal_voc/VGG16/faster_rcnn_alt_opt/stage2_rpn_train.pt

   layer {  
    name: 'input-data'  
    type: 'Python'  
    top: 'data'  
    top: 'im_info'  
    top: 'gt_boxes'  
    python_param {  
      module: 'roi_data_layer.layer'  
      layer: 'RoIDataLayer'  
      param_str: "'num_classes': 2" #按训练集类别改，该值为类别数+1  
    }  
   }  

5. py-faster-rcnn/models/pascal_voc/VGG16/faster_rcnn_alt_opt/faster_rcnn_test.pt

   layer {  
    name: "cls_score"  
    type: "InnerProduct"  
    bottom: "fc7"  
    top: "cls_score"  
    inner_product_param {  
      num_output: 2 #按训练集类别改，该值为类别数+1  
    }  
   }  
   
   layer {  
    name: "bbox_pred"  
    type: "InnerProduct"  
    bottom: "fc7"  
    top: "bbox_pred"  
    inner_product_param {  
      num_output: 84 #按训练集类别改，该值为（类别数+1）*4,四个顶点坐标
    }  
   }  

训练测试

训练前还需要注意几个地方：

1. cache问题：

   假如你之前训练了官方的VOC2007的数据集或其他的数据集，是会产生cache的问题的，建议在重新训练新的数据之前将其删除。

   • py-faster-rcnn/output
   • py-faster-rcnn/data/cache

2. 训练参数

   参数放在如下文件:

   py-faster-rcnn/models/pascal_voc/VGG16/faster_rcnn_alt_opt/stage_fast_rcnn_solver*.pt

   base_lr: 0.001
   lr_policy: 'step'
   step_size: 30000
   display: 20
   ....

   迭代次数在文件py-faster-rcnn/tools/train_faster_rcnn_alt_opt.py中进行修改:

   max_iters = [80000, 40000, 80000, 40000]

   分别对应rpn第1阶段，fast rcnn第1阶段，rpn第2阶段，fast rcnn第2阶段的迭代次数，自己修改即可，不过注意这里的值不要小于上面的solver里面的step_size的大小，大家自己修改吧

开始训练

首先修改experiments/scripts/faster_rcnn_alt_opt.sh成如下，修改地方已标注：

#!/bin/bash
# Usage:
# ./experiments/scripts/faster_rcnn_alt_opt.sh GPU NET DATASET [options args to {train,test}_net.py]
# DATASET is only pascal_voc for now
#
# Example:
# ./experiments/scripts/faster_rcnn_alt_opt.sh 0 VGG_CNN_M_1024 pascal_voc \
#   --set EXP_DIR foobar RNG_SEED 42 TRAIN.SCALES "[400, 500, 600, 700]"

set -x
set -e

export PYTHONUNBUFFERED="True"

GPU_ID=$1
NET=$2
NET_lc=${NET,,}
DATASET=$3

array=( $@ )
len=${#array[@]}
EXTRA_ARGS=${array[@]:3:$len}
EXTRA_ARGS_SLUG=${EXTRA_ARGS// /_}

case $DATASET in
  caltech)                     # 这里将pascal_voc改为caltech
    TRAIN_IMDB="caltech_train" # 改为与factor.py中命名的name格式相同，为caltech_train
    TEST_IMDB="caltech_test"   # 改为与factor.py中命名的name格式相同，为caltech_test
    PT_DIR="caltech"           # 这里将pascal_voc改为caltech
    ITERS=40000
    ;;
  coco)
    echo "Not implemented: use experiments/scripts/faster_rcnn_end2end.sh for coco"
    exit
    ;;
  *)
    echo "No dataset given"
    exit
    ;;
esac

LOG="experiments/logs/faster_rcnn_alt_opt_${NET}_${EXTRA_ARGS_SLUG}.txt.`date +'%Y-%m-%d_%H-%M-%S'`"
exec &> >(tee -a "$LOG")
echo Logging output to "$LOG"

time ./tools/train_faster_rcnn_alt_opt.py --gpu ${GPU_ID} \
  --net_name ${NET} \
  --weights data/imagenet_models/${NET}.v2.caffemodel \
  --imdb ${TRAIN_IMDB} \
  --cfg experiments/cfgs/faster_rcnn_alt_opt.yml \
  ${EXTRA_ARGS}

set +x
NET_FINAL=`grep "Final model:" ${LOG} | awk '{print $3}'`
set -x

time ./tools/test_net.py --gpu ${GPU_ID} \
  --def models/${PT_DIR}/${NET}/faster_rcnn_alt_opt/faster_rcnn_test.pt \
  --net ${NET_FINAL} \
  #--net output/faster_rcnn_alt_opt/train/ZF_faster_rcnn_final.caffemodel \
  --imdb ${TEST_IMDB} \
  --cfg experiments/cfgs/faster_rcnn_alt_opt.yml \
  ${EXTRA_ARGS}

调用如下命令进行训练及测试，从上面代码可以看出，该shell文件在训练完后会接着进行测试，但是我的测试集没有标注，所以测试的时候会报错，但是由于Caltech数据集的测试结果有专门的评估代码，所以我不用faster r-cnn提供的代码进行测试，而是直接进行检测生成坐标，用专门的评估代码进行检测。

cd py-faster-rcnn
./experiments/scripts/faster_rcnn_alt_opt.sh 0 VGG16 caltech 

• 参数1：指定gpu_id。
• 参数2：指定网络模型参数。
• 参数3：数据集名称，目前只能为pascal_voc。

在训练过程中，会调用py_faster_rcnn/tools/train_faster_rcnn_alt_opt.py文件开始训练网络。

可能会出现的Bugs

AssertionError: assert (boxes[:, 2] >= boxes[:, 0]).all()

问题重现

在训练过程中可能会出现如下报错：

File "/py-faster-rcnn/tools/../lib/datasets/imdb.py", line 108, in 
append_flipped_images 
    assert (boxes[:, 2] >= boxes[:, 0]).all() 
AssertionError

问题分析

检查自己数据发现，左上角坐标 (x, y) 可能为0，或标定区域溢出图片（即坐标为负数），而faster rcnn会对Xmin,Ymin,Xmax,Ymax进行减一操作，如果Xmin为0，减一后变为65535，从而在左右翻转图片时导致如上错误发生。

问题解决

1. 修改lib/datasets/imdb.py中的append_flipped_images()函数：

   数据整理，在一行代码为 boxes[:, 2] = widths[i] - oldx1 - 1下加入代码：

   for b in range(len(boxes)):
   if boxes[b][2]< boxes[b][0]:
       boxes[b][0] = 0

2. 修改lib/datasets/caltech.py，_load_pascal_annotation()函数，将对Xmin,Ymin,Xmax,Ymax减一去掉，变为：

   
   # Load object bounding boxes into a data frame.
   
          for ix, obj in enumerate(objs):
              bbox = obj.find('bndbox')
              # Make pixel indexes 0-based
              # 这里我把‘-1’全部删除掉了，防止有的数据是0开始，然后‘-1’导致变为负数，产生AssertError错误
              x1 = float(bbox.find('xmin').text)
              y1 = float(bbox.find('ymin').text)
              x2 = float(bbox.find('xmax').text)
              y2 = float(bbox.find('ymax').text)
              cls = self._class_to_ind[obj.find('name').text.lower().strip()]
              boxes[ix, :] = [x1, y1, x2, y2]
              gt_classes[ix] = cls
              overlaps[ix, cls] = 1.0
              seg_areas[ix] = (x2 - x1 + 1) * (y2 - y1 + 1)

3. （可选）如果1和2可以解决问题，就没必要用方法3。修改lib/fast_rcnn/config.py，不使图片实现翻转，如下改为：

   
   # Use horizontally-flipped images during training? 
   
   __C.TRAIN.USE_FLIPPED = False

如果如上三种方法都无法解决该问题，那么肯定是你的数据集坐标出现小于等于0的数，你应该一一排查。

训练fast rcnn时出现loss=nan的情况。

问题重现

问题分析

这是由于模型不收敛，导致loss迅速增长。

而我出现以上现象的原因主要是因为我在出现AssertionError的时候直接使用了第三种方法导致的。也就是禁用图片翻转。

问题解决

启用图片翻转。

训练结果

训练后的模型放在output/faster_rcnn_alt_opt/train/VGG16_faster_rcnn_final.caffemodel，该模型可以用于之后的检测。

检测

检测步骤

经过以上训练后，就可以用得到的模型来进行检测了。检测所参考的代码是tools/demo.py，具体步骤如下：

1. 将output/faster_rcnn_alt_opt/train/VGG16_faster_rcnn_final.caffemodel，拷贝到data/faster_rcnn_models下，命名为VGG16_Caltech_faster_rcnn__final.caffemodel
2. 进入tools/文件夹中，拷贝demo.py为demo_caltech.py。
3. 修改demo_caltech.py代码如下：

#!/usr/bin/env python

# --------------------------------------------------------
# Faster R-CNN
# Copyright (c) 2015 Microsoft
# Licensed under The MIT License [see LICENSE for details]
# Written by Ross Girshick
# --------------------------------------------------------

import matplotlib
matplotlib.use('Agg');
"""
Demo script showing detections in sample images.

See README.md for installation instructions before running.
"""

import _init_paths
from fast_rcnn.config import cfg
from fast_rcnn.test import im_detect
from fast_rcnn.nms_wrapper import nms
from utils.timer import Timer
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import scipy.io as sio
import caffe, os, sys, cv2
import argparse

CLASSES = ('__background__', # 这里改为自己的类别
           'person')

NETS = {'vgg16': ('VGG16',
                  'VGG16_Caltech_faster_rcnn_final.caffemodel'), #这里需要修改为训练后得到的模型的名称
        'zf': ('ZF',
                  'ZF_Caltech_faster_rcnn_final.caffemodel')} #这里需要修改为训练后得到的模型的名称


def vis_detections(im, image_name, class_name, dets, thresh=0.5):
    """Draw detected bounding boxes."""
    inds = np.where(dets[:, -1] >= thresh)[0]
    if len(inds) == 0:
        return

    im = im[:, :, (2, 1, 0)]
    fig, ax = plt.subplots(figsize=(12, 12))
    ax.imshow(im, aspect='equal')
    for i in inds:
        bbox = dets[i, :4]
        score = dets[i, -1]

        ax.add_patch(
            plt.Rectangle((bbox[0], bbox[1]),
                          bbox[2] - bbox[0],
                          bbox[3] - bbox[1], fill=False,
                          edgecolor='red', linewidth=3.5)
            )
        ax.text(bbox[0], bbox[1] - 2,
                '{:s} {:.3f}'.format(class_name, score),
                bbox=dict(facecolor='blue', alpha=0.5),
                fontsize=14, color='white')

    ax.set_title(('{} detections with '
                  'p({} | box) >= {:.1f}').format(class_name, class_name,
                                                  thresh),
                  fontsize=14)
    plt.axis('off')
    plt.tight_layout()
    plt.draw()
    plt.savefig('/home/jk/py-faster-rcnn/output/faster_rcnn_alt_opt/test/'+image_name) #将检测后的图片保存到相应的路径

def demo(net, image_name):
    """Detect object classes in an image using pre-computed object proposals."""

    # Load the demo image
    im_file = os.path.join(cfg.DATA_DIR, 'VOCdevkit/Caltech/JPEGImages', image_name)
    im = cv2.imread(im_file)

    # Detect all object classes and regress object bounds
    timer = Timer()
    timer.tic()
    scores, boxes = im_detect(net, im)
    timer.toc()
    print ('Detection took {:.3f}s for '
           '{:d} object proposals').format(timer.total_time, boxes.shape[0])

    # Visualize detections for each class
    CONF_THRESH = 0.85 # 设置权值，越低检测出的框越多
    NMS_THRESH = 0.3
    for cls_ind, cls in enumerate(CLASSES[1:]):
        cls_ind += 1 # because we skipped background
        cls_boxes = boxes[:, 4*cls_ind:4*(cls_ind + 1)]
        cls_scores = scores[:, cls_ind]
        dets = np.hstack((cls_boxes,
                          cls_scores[:, np.newaxis])).astype(np.float32)
        keep = nms(dets, NMS_THRESH)
        dets = dets[keep, :]
        vis_detections(im, image_name, cls, dets, thresh=CONF_THRESH)

def parse_args():
    """Parse input arguments."""
    parser = argparse.ArgumentParser(description='Faster R-CNN demo')
    parser.add_argument('--gpu', dest='gpu_id', help='GPU device id to use [0]',
                        default=0, type=int)
    parser.add_argument('--cpu', dest='cpu_mode',
                        help='Use CPU mode (overrides --gpu)',
                        action='store_true')
    parser.add_argument('--net', dest='demo_net', help='Network to use [vgg16]',
                        choices=NETS.keys(), default='vgg16')

    args = parser.parse_args()

    return args

if __name__ == '__main__':
    cfg.TEST.HAS_RPN = True  # Use RPN for proposals

    args = parse_args()

    prototxt = os.path.join(cfg.MODELS_DIR, NETS[args.demo_net][0],
                            'faster_rcnn_alt_opt', 'faster_rcnn_test.pt')
    caffemodel = os.path.join(cfg.DATA_DIR, 'faster_rcnn_models',
                              NETS[args.demo_net][1])

    if not os.path.isfile(caffemodel):
        raise IOError(('{:s} not found.\nDid you run ./data/script/'
                       'fetch_faster_rcnn_models.sh?').format(caffemodel))

    if args.cpu_mode:
        caffe.set_mode_cpu()
    else:
        caffe.set_mode_gpu()
        caffe.set_device(args.gpu_id)
        cfg.GPU_ID = args.gpu_id
    net = caffe.Net(prototxt, caffemodel, caffe.TEST)

    print '\n\nLoaded network {:s}'.format(caffemodel)

    # Warmup on a dummy image
    im = 128 * np.ones((300, 500, 3), dtype=np.uint8)
    for i in xrange(2):
        _, _= im_detect(net, im)

    testfile_path = '/home/jk/py-faster-rcnn/data/VOCdevkit/Caltech/ImageSets/Main/test.txt'
    with open(testfile_path) as f:
        im_names = [x.strip()+'.jpg' for x in f.readlines()] # 从test.txt文件中读取图片文件名，找到相应的图片进行检测。也可以使用如下的方法，把项检测的图片存到tools/demo/文件夹下进行读取检测

    #im_names = ['set06_V002_I00023.jpg', 'set06_V002_I00072.jpg', 'set06_V002_I00097.jpg',
    #            'set06_V002_I00151.jpg', 'set07_V010_I00247.jpg']
    for im_name in im_names:
        print '~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~'
        print 'Demo for data/demo/{}'.format(im_name)
        demo(net, im_name)

    plt.show()

在命令行中输入一下命令进行检测：

python tools/demo_caltech.py

检测结果

放几张检测后的结果图，感觉检测效果并不是很好，很多把背景当成行人的错误：

参考博客

1. 使用Faster-Rcnn进行目标检测(实践篇)
2. Train Fast-RCNN on Another Dataset