2018-12 文献阅读：RCNN（2014）

文献阅读：Rich feature hierarchies for accurate object detection and semantic segmentation，Tech report（v5）（2014）

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作者：Ross Girshick，Jeff Donahue，Trevor Darrell，Jitendra Malik
阅读原因：了解RCNN、Fast RCNN、Faster RCNN在object detection中的应用
Fast RCNN学习笔记
主要参考：①R-CNN读书笔记 ②关于Faster R-CNN的一切——笔记1：R-CNN ③【目标检测】RCNN算法详解

摘要

• Region CNN(R-CNN)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。这篇文章思路简洁，在DPM方法多年平台期后，效果提高显著。

• RCNN是一种可伸缩的（scalable）检测算法，在PASCAL VOC2012数据集上将mean average precision（mAP）提高了30%，达到53.3%。下面是mAP的计算过程，其中AP为average precision，即平均精确度。
  
  \qquad 计算mAP时，一般先计算每个预测框的loU值（预测框与真实框的交集面积与并集面积之比），通过与loU阈值比较得到“正确预测”或“错误预测”。计算第i个图像的第C类的精度：
  $$Precisio{n}_{i,C}=\frac{C类别的正确预测次数}{C类别的总数量}$$
  再计算平均精度AP：
  $$A{P}_C=\frac{{\sum }_{i}Precisio{n}_{i,C}}{图像总数}$$
  进而再对AP取平均，就得到mAP值。
  $$mAP=\frac{1}{|Q_R|}\sum _{q\in Q_R}A{P}_q$$

• RCNN有两个优点：
  （1）可以将high-capacity CNN应用于候选区域（region proposals），从而实现目标的局部化和分割（Regions with CNN，R-CNN）。
  （2）当有标签的training data缺乏时，先在辅助任务进行有监督预训练，再在自己的数据集上做微调，这样可以提高模型性能。

• RCNN的不足：
  （1）测试时速度慢：对于提取的Region Proposal，多数都是互相重叠的，重叠部分会被多次重复提取特征，都要分别进行CNN前向传播一次（相当于进行了2000次提特征和SVM分类的过程），操作冗余，计算量较大。
  （2）训练时速度慢：原因同上。
  （3）多阶段训练过程：每一步需要训练三个模型：CNN、SVM、bounding box回归，且RCNN中独立的分类器和回归器都需要大量特征作为训练样本。

介绍

1. 回顾

• 过去的图像识别主要基于SIFT和HOG，但在PASCAL VOC目标检测任务中进展缓慢。
• SIFT和HOG都是块取向（blockwise orientation）的直方图，可以粗略代表灵长类动物视觉路径中皮层区域V1中的细胞。但同时，我们也需要分层的、多阶段的过程来计算特征。
• Fukushima的 “neocognitron” 是用来解决模式识别的一个分层的、具有转移不变形的模型，是对分层过程的一次尝试，但缺乏监督训练的算法。还有一类模型是对neocognitron的拓展，是通过反向传播算法，利用随机梯度下降法来训练CNN，这是有效的。
• 在SVM出现时，CNN曾沉寂过一段时间，但CNN在ImageNet图像分类任务中的出色表现又使人们对它重燃兴趣。

2. 思路

Q：在什么情况下，CNN在ImageNet分类的结果可以推广到PASCAL VOC目标检测问题？

A：本文通过建立图像分类和目标检测的关系，来回答这一问题。相较于简单的HOG，CNN可以得到好得多的目标检测结果。为得到这一结果，需要解决两个问题：
（1）利用深度网络将目标局部化
（2）只利用较少的带注释的检测数据来训练一个high-capacity模型

问题一：目标局部化——区域识别

• 经典的目标检测算法是使用滑窗法建立滑窗检测器，依次判断所有可能的区域，这样会使网络中的单元（units）数大幅上升，使得此网络有非常大的感受野（receptive fields）和步长（strides），速度很慢。
• 本文的方法是区域识别（recognition using regions）：预先提取一系列较可能是object的候选区域，之后只在这些候选区域上提取特征，进行detection。

使用区域识别方法来解决CNN局部化问题，此方法在目标检测和语义分割（semantic segmentation）中的应用都很成功。同时，bounding-box回归（边框回归）方法可以很好的降低mislocalizations——此模型主要的error mode】。

问题二：labeled data缺乏——无监督预训练+有监督微调

• 经典的目标检测算法在区域中提取人工设定的特征（Haar，HOG）。
• 本文的方法需要训练深度网络进行特征提取。共有两个数据集：
  识别库（ImageNet ILSVRC2012）：标定每张图片中物体的类别。一千万图像，1000类。【没有物体的位置标注，unlabeled data】
  检测库（PASCAL VOC2007）：标定每张图片中物体的类别和位置。一万图像，20类。
  先在识别库上进行预训练（等同于得到AlexNet），之后在检测库上进行fine-tuning调优参数。

本文的第二个贡献：展现了上述预训练+微调的方法是在labeled data缺乏的情况下，训练大容量CNN的有效方法。

[图像处理之特征提取（一）之HOG特征简单梳理][]

3. 模型的高效性

本文模型是高效的，唯一的计算是矩阵-向量乘积和贪婪非极大值抑制（greedy non-maximum suppression）。这些计算都与在所有类别中出现的特征有关，而且这些类别的维度比之前使用的区域特征小两个数量级。

• non-maximum suppression（NMS）是一种局部最大搜索方法，用于在目标检测任务中找出评分最高的窗口。因为得到的窗口会有很多包含或重叠的情况，所以用NMS选取评分最高的窗口，同时抑制评分低的窗口。

RCNN过程

一个image生成约2000个 region proposals（selective search，类似聚类思想）

$$\downarrow$$

每个region proposal输入CNN， 提取4096维 特征向量（所有类别参数共享）

$$\downarrow$$

将特征向量输入每个类别的SVM 分类器，得到每个proposal所有类别的评分（2000*N评分矩阵）+ bounding-box回归器 精细修正候选框位置

$$\downarrow$$

Greedy NMS 筛选出detected object bounding box

1. 生成候选区域（region proposal）

• 为了避免盲目的滑窗，先提取若干候选区域。提取候选区域的算法很多，RCNN对提取候选区域的算法没有限定，论文里使用的是selective search，使得R-CNN与以前的检测方法可比。（具体参考What makes for effective detection proposals详细对比了各种region proposal的算法。）
• 本文生成了2k个region proposals，最终的检测结果就从这2k个中选择。

2. 用训练好的CNN提取每个proposal的特征

• 利用CNN从每个区域中提取固定长度特征向量。我们使用仿射图像扭曲（affine image warping） 将图像warp后输入CNN，通过向前传播方法计算固定长度的特征。
• 训练CNN网络使用的是AlexNet，去掉最后一层FC，使用倒数第二层FC的4096维输出作为特征向量。AlexNet要求输入图像是227 $\ast$ 227大小，因此对输入的region proposal图像，需要将它变形到与CNN匹配的大小227 $\ast$ 227，从而通过CNN提取出4096维的特征向量。（变形方法见附录A）

3. 用每个类别训练好的线性SVM对每个proposal中所有类别进行评分

• 每个类别对应一个二分类svm分类器，输入为CNN输出的4096维特征向量，输出为该region proposal输入该SVM对应类别的score。本文使用的PASCALvoc数据库有20个类别，所以有20个SVM。一幅图像最终输出2k*20的评分矩阵。

候选区域 \ 得分 \ 类别	1	…	N=20
2k个proposals	scores	scores	scores

• 受Deformable Part Models（DPM）的启发，在得到评分后，我们利用bounding-box回归预测一个新的边框。Bounding-box回归的作用是微调窗口 （见3.5节和附录C，或参考边框回归(Bounding Box Regression)详解）
  【注】SVM分类器和bounding box回归器是相互独立的！

4. Greedy non-maximum suppression（NMS）

• 根据评分对该类的region proposal进行Greedy non-maximum suppression（NMS）筛选出最终的region。
• 对每一类（即评分矩阵的每一列），根据score对这些region进行排序，把score最大的bounding box（也就是region proposal）加入队列作为已被选择项，然后计算其他候选bounding box与队列中已经被选择了的bounding box的IoU（intersection-over-union），剔除IoU大于阈值的候选bounding box（IoU越大则越重叠），重复直到候选bounding box为空。这样就剩下了每一类符合要求的那些含有该类物体的bounding box。

Object detection with R-CNN

要点1：生成与类别独立的候选区域

文中使用selective search方法，算法如下：

\qquad selective search算法是先通过简单的区域划分算法，将图片划分成很多小区域，再通过相似度和区域大小（小的区域先聚合，这样是防止大的区域不断的聚合小区域，导致层次关系不完全）不断的聚合相邻小区域，类似于聚类的思路。这样就能解决object层次问题。例如汽车是object，轮胎也是object，汽车包含轮胎，两个目标的层次是不同的。

\qquad 为了保证能够划分的完全，对于相似度，作者提出了可以多样化的思路，不但使用多样的颜色空间（RGB，Lab，HSV等等），还有很多不同的相似度计算方法。并类过程中的proposals都是算法的输出，选择评分高的作为selective search的结果，得到约2k个region proposals。参考选择性搜索（selective search）和Selective Search原理及实现（均附代码）

要点2：CNN从每个候选区域提取长度固定的特征向量

• 用CNN从每个候选区域中提取4096维的特征，用向前传播方法计算特征，CNN包括五个卷积层和两个全连接层。
• 在计算之前，先要将图像转变为227*227像素大小才能输入CNN。先将边框扩大，再对边框中的所有像素进行warp，使得warping之后，图像中精确有p个像素（文中p=16）。

要点3：每个类别对应的线性SVM

要点4：bounding box回归（附录C）

\qquad bounding-box回归可以改善局部化效果。在DPM中，是用inferred DPM part location计算出的几何特征进行回归，而RCNN是用CNN计算出的特征进行回归。

\qquad 对于N个training pairs$\{(P^i,G^i){\}}_{i=1}^N$，其中proposal $P^i=(P_x^i,P_y^i,P_w^i,P_h^i)$、ground-truth bounding box $G^i=(G_x^i,G_y^i,G_w^i,G_h^i)$都是四元组：前两项指明了bounding box的中心点的坐标，后两项是bbox的width和height。我们的目的是学习一个变换，将proposed box $P$ 映射到ground-truth box $G$。

\qquad 我们用四个函数来（参数化）表示这个变换：$d_x(P),d_y(P),d_w(P),d_h(P)$。前两个表示$P$的bounding box的中心的一个scale-invariant的平移，后两个表示$P$的bounding box的宽和高的一个log-space平移（尺度放缩）。则这个变换可以拆分为：平移+尺度放缩

1. 先做平移（$\Delta x,\Delta y$），$\Delta x=P_w{d}_x(P),\Delta y=P_h{d}_y(P)$
   
2. 再做尺度放缩（$S_x,S_y$），$S_w=\exp (d_w(P)),S_h=\exp (d_h(P))$
   

\qquad 每一个函数$d_{\ast }(P)$都可以modeled as是proposal $P$的pool₅ feature的线性函数，记作${\varphi }_5(P)$【实际操作中，并不是输入P的四元组，而是P的pool₅ feature】，则有$d_{\ast }(P)=w_{\ast }^T{\varphi }_5(P)$，$w_{\ast }$是需要学习的参数。而此时，回归的真实目标也从G变为了：$t_{\ast }=(t_x,t_y,t_w,t_h)$，其中

因此，损失函数为
$$L=\sum _i^N(t_{\ast }^i-{\hat{w}}_{\ast }^T{\varphi }_5(P^i){)}^2$$
从而问题转化为正则化的最小二乘问题（Ridge回归）：

• 训练：【每一类进行一次bounding box回归，多次迭代并不会提升结果】
  Input：proposal P的pool₅ feature，真实的transformation $t_{\ast }$
  Output：由（5）式训练出的参数$w_{\ast }$，从而由transformation ${\hat{d}}_{\ast }$将$P$映射为$\hat{G}$

\qquad 进行bounding box回归时需要注意：（1）Ridge回归中正则化参数$\lambda$很重要，本文取$\lambda =1000$。（2）只针对至少和一个ground-truth box“很近”的proposal P进行训练，这里“很近”指的是：与P重叠的ground-truth boxes中，IoU最大的ground-truth box G，且IoU大于等于0.6，则这样的{P,G}需要进行训练。其他不满足的P舍弃。

Test-time detection

RCNN具有两个性质：
（1）所有类别的CNN参数共享
（2）CNN得到的特征向量比其他方法得到的维数要低，例如spatial pyramids with bag-of-visual-word。

这种共享使得计算时间被分摊在所有类别上。每一类的计算只有：特征与SVM权重之间的点乘，和NMS。而一个图像的所有点乘计算可以写成矩阵-矩阵乘积。特征矩阵是2k$\times$ 4096，SVM权重矩阵是4097$\times$N，其中N是类别数。这意味着，RCNN的性质使得它可以处理几千个目标种类而不需要借助近似技巧。

如何训练？

从RCNN的结构看，需要训练CNN和SVMs。

CNN

• 预训练：用Caffe中在ILSVRC2012上训练好的Alexnet作为初始状态
  \qquad 在辅助数据集（ILSVRC2012）上预训练CNN，数据集只有图像水平的注释，没有边框label。预训练使用的是开源的Caffe CNN library。
• fine-tuning：将预训练好的AlexNet的最后1000-way ImageNet分类（softmax）层替换为随机初始化的(N+1)-way全连接层【N是物体类别数，+1是背景类】，其他结构不变。对于VOC，N=20；对于ILSVRC2013，N=200。
  \qquad 使用warped region proposals来继续CNN参数的随机梯度下降（SGD）训练。训练细节：（1）region proposal的标签设置：与某个ground-thuth box的IoU大于等于0.5的为正，其他情况为负。（2）参数：SGD学习速率设为0.001【预训练学习速率的1/10】。（3）Mini-batch size：每个SGD迭代步，随机采样32个正样本和96个负样本，得到mini-batch大小是128
  
  

AlexNet框架

SVM——Object category classifiers

• 每一类都需要训练一个SVM
• 对每一类，正负样本的规定：该类的Ground-truth box是正样本，与Ground-truth box的IoU小于0.3【0.3是在测试集上从{0,0.1,…,0.5}中间确定的】的region proposal是负样本，其余的region proposal舍弃，不用作训练。

fine-tuning和SVM关于正负样本定义的不同 and softmax（附录B）

• 为什么要用不同的定义？
  \qquad fine-tuning：对于每一个region proposal，找出与图片中ground-truth box的IoU值最大的那个box（如果存在这样的box），若IoU值大于等于0.5，则将这个region proposal标记为该box对应类别的正样本。其余proposals标记为background（即，所有类别中都是负样本）。
  \qquad SVM：只将ground-truth box定义为对应类别的正样本，将与某一类中所有ground-truth boxes的IoU值都小于0.3的proposal标记为该类别的负样本。其余灰色区域的proposal舍弃。

• 这样分别定义的原因
  1、若训练SVM时延用fine-tuning的正负样本定义，结果明显劣于现在的定义。
  2、fine-tuning的定义方式增加了很多jittered样本，扩充了正样本的数量。在对整个网络进行微调时，这种扩充是必要的，防止过拟合。而在精确的局部化过程中，这些jittered样本会导致结果不是最优的。

• 为什么fine-tuning之后还要训练SVM？
  \qquad 若直接用fine-tuning后的CNN的最后一层【21-way softmax 回归分类器】进行目标检测，会导致mAP下降（VOC2007）。这可能是因为fine-tuning中正样本的定义不能突出精确局部化的目的，而且训练softmax 分类器是在随机抽取的负样本上，而不是训练SVM时的hard negatives。
  \qquad 本文推测：若在fine-tuning过程中增加一些变动，不训练SVM也是可以的。那么，这可以使RCNN更简洁，速度更快，且效果不变。

结果