【目标检测】RCNN算法详解

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本篇博客是我在看了两个博主写的内容后，各取所长提取出来的，借鉴的博客已经标注，需要原文的请自取！

Region CNN(RCNN)可以说是利用深度学习进行目标检测的开山之作。作者Ross Girshick多次在PASCAL VOC的目标检测竞赛中折桂，2010年更带领团队获得终身成就奖，如今供职于Facebook旗下的FAIR。 
这篇文章思路简洁，在DPM方法多年平台期后，效果提高显著。包括本文在内的一系列目标检测算法：RCNN, Fast RCNN, Faster RCNN代表当下目标检测的前沿水平，在github都给出了基于Caffe的源码。

思想

本文解决了目标检测中的两个关键问题。

问题一：速度

经典的目标检测算法使用滑动窗法依次判断所有可能的区域。本文则预先提取一系列较可能是物体的候选区域，之后仅在这些候选区域上提取特征，进行判断。

问题二：训练集

经典的目标检测算法在区域中提取人工设定的特征（Haar，HOG）。本文则需要训练深度网络进行特征提取。可供使用的有两个数据库： 
一个较大的识别库（ImageNet ILSVC 2012）：标定每张图片中物体的类别。一千万图像，1000类。 
一个较小的检测库（PASCAL VOC 2007）：标定每张图片中，物体的类别和位置。一万图像，20类。 
本文使用识别库进行预训练，而后用检测库调优参数。最后在检测库上评测。

1、IOU的定义

因为没有搞过物体检测不懂IOU这个概念，所以就简单介绍一下。物体检测需要定位出物体的bounding box，就像下面的图片一样，我们不仅要定位出车辆的bounding box 我们还要识别出bounding box 里面的物体就是车辆。对于bounding box的定位精度，有一个很重要的概念，因为我们算法不可能百分百跟人工标注的数据完全匹配，因此就存在一个定位精度评价公式：IOU。

IOU定义了两个bounding box的重叠度，如下图所示：

矩形框A、B的一个重合度IOU计算公式为：

IOU=(A∩B)/(A∪B)

就是矩形框A、B的重叠面积占A、B并集的面积比例:

IOU=SI/(SA+SB-SI)

2、非极大值抑制

因为一会儿讲RCNN算法，会从一张图片中找出n多个可能是物体的矩形框，然后为每个矩形框为做类别分类概率：

就像上面的图片一样，定位一个车辆，最后算法就找出了一堆的方框，我们需要判别哪些矩形框是没用的。非极大值抑制：先假设有6个矩形框，根据分类器类别分类概率做排序，从小到大分别属于车辆的概率分别为A、B、C、D、E、F。

(1)从最大概率矩形框F开始，分别判断A~E与F的重叠度IOU是否大于某个设定的阈值;

(2)假设B、D与F的重叠度超过阈值，那么就扔掉B、D；并标记第一个矩形框F，是我们保留下来的。

(3)从剩下的矩形框A、C、E中，选择概率最大的E，然后判断E与A、C的重叠度，重叠度大于一定的阈值，那么就扔掉；并标记E是我们保留下来的第二个矩形框。

就这样一直重复，找到所有被保留下来的矩形框。

流程

RCNN算法分为4个步骤 
- 一张图像生成1K~2K个候选区域 
- 对每个候选区域，使用深度网络提取特征 
- 特征送入每一类的SVM 分类器，判别是否属于该类 
- 使用回归器精细修正候选框位置 

候选区域生成

使用了Selective Search1方法从一张图像生成约2000-3000个候选区域。基本思路如下： 
- 使用一种过分割手段，将图像分割成小区域 
- 查看现有小区域，合并可能性最高的两个区域。重复直到整张图像合并成一个区域位置 
- 输出所有曾经存在过的区域，所谓候选区域

候选区域生成和后续步骤相对独立，实际可以使用任意算法进行。

合并规则

优先合并以下四种区域： 
- 颜色（颜色直方图）相近的 
- 纹理（梯度直方图）相近的 
- 合并后总面积小的 
- 合并后，总面积在其BBOX中所占比例大的

第三条，保证合并操作的尺度较为均匀，避免一个大区域陆续“吃掉”其他小区域。

例：设有区域a-b-c-d-e-f-g-h。较好的合并方式是：ab-cd-ef-gh -> abcd-efgh -> abcdefgh。 
不好的合并方法是：ab-c-d-e-f-g-h ->abcd-e-f-g-h ->abcdef-gh -> abcdefgh。

第四条，保证合并后形状规则。

例：左图适于合并，右图不适于合并。 

上述四条规则只涉及区域的颜色直方图、纹理直方图、面积和位置。合并后的区域特征可以直接由子区域特征计算而来，速度较快。

多样化与后处理

为尽可能不遗漏候选区域，上述操作在多个颜色空间中同时进行（RGB,HSV,Lab等）。在一个颜色空间中，使用上述四条规则的不同组合进行合并。所有颜色空间与所有规则的全部结果，在去除重复后，都作为候选区域输出。

作者提供了Selective Search的源码，内含较多.p文件和.mex文件，难以细查具体实现。

候选框的处理

当我们输入一张图片时，我们要搜索出所有可能是物体的区域，这个采用的方法是传统文献的算法：《search for object recognition》，通过这个算法我们搜索出2000个候选框。然后从上面的总流程图中可以看到，搜出的候选框是矩形的，而且是大小各不相同。然而CNN对输入图片的大小是有固定的，如果把搜索到的矩形选框不做处理，就扔进CNN中，肯定不行。因此对于每个输入的候选框都需要缩放到固定的大小。下面我们讲解要怎么进行缩放处理，为了简单起见我们假设下一阶段CNN所需要的输入图片大小是个正方形图片227*227。因为我们经过selective search 得到的是矩形框，paper试验了两种不同的处理方法：

(1)各向异性缩放

这种方法很简单，就是不管图片的长宽比例，管它是否扭曲，进行缩放就是了，全部缩放到CNN输入的大小227*227，如下图(D)所示；

(2)各向同性缩放

因为图片扭曲后，估计会对后续CNN的训练精度有影响，于是作者也测试了“各向同性缩放”方案。这个有两种办法

A、直接在原始图片中，把bounding box的边界进行扩展延伸成正方形，然后再进行裁剪；如果已经延伸到了原始图片的外边界，那么就用bounding box中的颜色均值填充；如下图(B)所示;

B、先把bounding box图片裁剪出来，然后用固定的背景颜色填充成正方形图片(背景颜色也是采用bounding box的像素颜色均值),如下图(C)所示;

对于上面的异性、同性缩放，文献还有个padding处理，上面的示意图中第1、3行就是结合了padding=0,第2、4行结果图采用padding=16的结果。经过最后的试验，作者发现采用各向异性缩放、padding=16的精度最高，具体不再啰嗦。

OK，上面处理完后，可以得到指定大小的图片，因为我们后面还要继续用这2000个候选框图片，继续训练CNN、SVM。然而人工标注的数据一张图片中就只标注了正确的bounding box，我们搜索出来的2000个矩形框也不可能会出现一个与人工标注完全匹配的候选框。因此我们需要用IOU为2000个bounding box打标签，以便下一步CNN训练使用。在CNN阶段，如果用selective search挑选出来的候选框与物体的人工标注矩形框的重叠区域IoU大于0.5，那么我们就把这个候选框标注成物体类别，否则我们就把它当做背景类别。SVM阶段的正负样本标签问题，等到了svm讲解阶段我再具体讲解。

五、CNN特征提取阶段

1、算法实现

a、网络结构设计阶段

网络架构我们有两个可选方案：第一选择经典的Alexnet；第二选择VGG16。经过测试Alexnet精度为58.5%，VGG16精度为66%。VGG这个模型的特点是选择比较小的卷积核、选择较小的跨步，这个网络的精度高，不过计算量是Alexnet的7倍。后面为了简单起见，我们就直接选用Alexnet，并进行讲解；Alexnet特征提取部分包含了5个卷积层、2个全连接层，在Alexnet中p5层神经元个数为9216、 f6、f7的神经元个数都是4096，通过这个网络训练完毕后，最后提取特征每个输入候选框图片都能得到一个4096维的特征向量。

b、网络有监督预训练阶段

参数初始化部分：物体检测的一个难点在于，物体标签训练数据少，如果要直接采用随机初始化CNN参数的方法，那么目前的训练数据量是远远不够的。这种情况下，最好的是采用某些方法，把参数初始化了，然后在进行有监督的参数微调，这边文献采用的是有监督的预训练。所以paper在设计网络结构的时候，是直接用Alexnet的网络，然后连参数也是直接采用它的参数，作为初始的参数值，然后再fine-tuning训练。

网络优化求解：采用随机梯度下降法，学习速率大小为0.001；

C、fine-tuning阶段

我们接着采用selective search 搜索出来的候选框，然后处理到指定大小图片，继续对上面预训练的cnn模型进行fine-tuning训练。假设要检测的物体类别有N类，那么我们就需要把上面预训练阶段的CNN模型的最后一层给替换掉，替换成N+1个输出的神经元(加1，表示还有一个背景)，然后这一层直接采用参数随机初始化的方法，其它网络层的参数不变；接着就可以开始继续SGD训练了。开始的时候，SGD学习率选择0.001，在每次训练的时候，我们batch size大小选择128，其中32个事正样本、96个事负样本（正负样本的定义前面已经提过，不再解释）。

2、问题解答

OK，看完上面的CNN过程后，我们会有一些细节方面的疑问。首先，反正CNN都是用于提取特征，那么我直接用Alexnet做特征提取，省去fine-tuning阶段可以吗？这个是可以的，你可以不需重新训练CNN，直接采用Alexnet模型，提取出p5、或者f6、f7的特征，作为特征向量，然后进行训练svm，只不过这样精度会比较低。那么问题又来了，没有fine-tuning的时候，要选择哪一层的特征作为cnn提取到的特征呢？我们有可以选择p5、f6、f7，这三层的神经元个数分别是9216、4096、4096。从p5到p6这层的参数个数是：4096*9216 ，从f6到f7的参数是4096*4096。那么具体是选择p5、还是f6，又或者是f7呢？

文献paper给我们证明了一个理论，如果你不进行fine-tuning，也就是你直接把Alexnet模型当做万金油使用，类似于HOG、SIFT一样做特征提取，不针对特定的任务。然后把提取的特征用于分类，结果发现p5的精度竟然跟f6、f7差不多，而且f6提取到的特征还比f7的精度略高；如果你进行fine-tuning了，那么f7、f6的提取到的特征最会训练的svm分类器的精度就会飙涨。

据此我们明白了一个道理，如果不针对特定任务进行fine-tuning，而是把CNN当做特征提取器，卷积层所学到的特征其实就是基础的共享特征提取层，就类似于SIFT算法一样，可以用于提取各种图片的特征，而f6、f7所学习到的特征是用于针对特定任务的特征。打个比方：对于人脸性别识别来说，一个CNN模型前面的卷积层所学习到的特征就类似于学习人脸共性特征，然后全连接层所学习的特征就是针对性别分类的特征了。

还有另外一个疑问：CNN训练的时候，本来就是对bounding box的物体进行识别分类训练，是一个端到端的任务，在训练的时候最后一层softmax就是分类层，那么为什么作者闲着没事干要先用CNN做特征提取（提取fc7层数据），然后再把提取的特征用于训练svm分类器？这个是因为svm训练和cnn训练过程的正负样本定义方式各有不同，导致最后采用CNN softmax输出比采用svm精度还低。

事情是这样的，cnn在训练的时候，对训练数据做了比较宽松的标注，比如一个bounding box可能只包含物体的一部分，那么我也把它标注为正样本，用于训练cnn；采用这个方法的主要原因在于因为CNN容易过拟合，所以需要大量的训练数据，所以在CNN训练阶段我们是对Bounding box的位置限制条件限制的比较松(IOU只要大于0.5都被标注为正样本了)；

然而svm训练的时候，因为svm适用于少样本训练，所以对于训练样本数据的IOU要求比较严格，我们只有当bounding box把整个物体都包含进去了，我们才把它标注为物体类别，然后训练svm，具体请看下文。

六、SVM训练、测试阶段

这是一个二分类问题，我么假设我们要检测车辆。我们知道只有当bounding box把整量车都包含在内，那才叫正样本；如果bounding box 没有包含到车辆，那么我们就可以把它当做负样本。但问题是当我们的检测窗口只有部分包好物体，那该怎么定义正负样本呢？作者测试了IOU阈值各种方案数值0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5。最后我们通过训练发现，如果选择IOU阈值为0.3效果最好（选择为0精度下降了4个百分点，选择0.5精度下降了5个百分点）,即当重叠度小于0.3的时候，我们就把它标注为负样本。一旦CNN f7层特征被提取出来，那么我们将为每个物体累训练一个svm分类器。当我们用CNN提取2000个候选框，可以得到2000*4096这样的特征向量矩阵，然后我们只需要把这样的一个矩阵与svm权值矩阵4096*N点乘(N为分类类别数目，因为我们训练的N个svm，每个svm包好了4096个W)，就可以得到结果了。

特征提取

预处理

使用深度网络提取特征之前，首先把候选区域归一化成同一尺寸227×227。 
此处有一些细节可做变化：外扩的尺寸大小，形变时是否保持原比例，对框外区域直接截取还是补灰。会轻微影响性能。

预训练

网络结构 
基本借鉴Hinton 2012年在Image Net上的分类网络2，略作简化3。 
 
此网络提取的特征为4096维，之后送入一个4096->1000的全连接(fc)层进行分类。 
学习率0.01。

训练数据 
使用ILVCR 2012的全部数据进行训练，输入一张图片，输出1000维的类别标号。

调优训练

网络结构 
同样使用上述网络，最后一层换成4096->21的全连接网络。 
学习率0.001，每一个batch包含32个正样本（属于20类）和96个背景。

训练数据 
使用PASCAL VOC 2007的训练集，输入一张图片，输出21维的类别标号，表示20类+背景。 
考察一个候选框和当前图像上所有标定框重叠面积最大的一个。如果重叠比例大于0.5，则认为此候选框为此标定的类别；否则认为此候选框为背景。

类别判断

分类器 
对每一类目标，使用一个线性SVM二类分类器进行判别。输入为深度网络输出的4096维特征，输出是否属于此类。 
由于负样本很多，使用hard negative mining方法。 
正样本 
本类的真值标定框。 
负样本 
考察每一个候选框，如果和本类所有标定框的重叠都小于0.3，认定其为负样本

位置精修

目标检测问题的衡量标准是重叠面积：许多看似准确的检测结果，往往因为候选框不够准确，重叠面积很小。故需要一个位置精修步骤。 
回归器 
对每一类目标，使用一个线性脊回归器进行精修。正则项λ=10000。 
输入为深度网络pool5层的4096维特征，输出为xy方向的缩放和平移。 
训练样本 
判定为本类的候选框中，和真值重叠面积大于0.6的候选框。

结果

论文发表的2014年，DPM已经进入瓶颈期，即使使用复杂的特征和结构得到的提升也十分有限。本文将深度学习引入检测领域，一举将PASCAL VOC上的检测率从35.1%提升到53.7%。 
本文的前两个步骤（候选区域提取+特征提取）与待检测类别无关，可以在不同类之间共用。这两步在GPU上约需13秒。 
同时检测多类时，需要倍增的只有后两步骤（判别+精修），都是简单的线性运算，速度很快。这两步对于100K类别只需10秒。

以本论文为基础，后续的fast RCNN4（参看这篇博客）和faster RCNN5（参看这篇博客）在速度上有突飞猛进的发展，基本解决了PASCAL VOC上的目标检测问题。

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1. J. Uijlings, K. van de Sande, T. Gevers, and A. Smeulders. Selective search for object recognition. IJCV, 2013. ↩
2. A. Krizhevsky, I. Sutskever, and G. Hinton. ImageNet classification with deep convolutional neural networks. In NIPS, 2012 ↩
3. 所有层都是串行的。relu层为in-place操作，偏左绘制。 ↩
4. Girshick, Ross. “Fast r-cnn.” Proceedings of the IEEE International Conference on Computer Vision. 2015. ↩
5. Ren, Shaoqing, et al. “Faster R-CNN: Towards real-time object detection with region proposal networks.” Advances in Neural Information Processing Systems. 2015. ↩