目标检测——R-FCN（五）

简介
R-FCN是NIPS 2016的best paper，主要贡献在于解决了“分类网络的位置不敏感性”与“检测网络的位置敏感性”之间的矛盾，利用“position-sensitive score maps”，在提升精度的同时也提升了检测速度。
原论文地址：https://arxiv.org/abs/1605.06409

一、整体框架

从上图可以看出，整个网络的组成为：一个CNN特征提取器（如ResNet101）, 一个RPN（Faster RCNN来的）,一个position sensitive的prediction层，最后的ROI pooling+投票的决策层。

二、原理
Faster R-CNN系列的网络都可以分成2个部分：一是用CNN提取共享特征，然后一个RoI Pooling在最后一张特征图上进行提取针对各个RoIs的特征向量，然后将所有RoIs的特征向量都交由第2部分来处理（分类和回归），而第二部分一般都是一些全连接层，在最后有2个并行的loss函数：softmax和smoothL1，分别用来对每一个RoI进行分类和回归，这样就可以得到每个RoI的真实类别和较为精确的坐标和长宽了。
这一做就会有一个问题：分类需要特征具有平移不变性，检测则要求对目标的平移做出准确响应。因此，R-FCN想提出来的position sensitive score map这个概念是能把目标的位置信息融合进ROI pooling。

ResNet 101——去掉原始ResNet101的最后一层全连接层，保留前100层，再接一个1×1×1024的全卷积层（100层输出是2048，为了降维，再引入了一个1×1的卷积层）。
ResNet101的输出是W×H×1024，用K ^2(C+1)个1024×1×1的卷积核去卷积即可得到K ^2(C+1)个大小为W×H的position sensitive的score map。这步的卷积操作就是在做prediction。k = 3，表示把一个ROI划分成3×3，对应的9个位置分别是：上左（左上角），上中，上右，中左，中中，中右，下左，下中，下右（右下角），如上图。
共有k×k = 9个颜色，每个颜色的立体块（W×H×(C+1)）表示的是不同位置存在目标的概率值（第一块黄色表示的是左上角位置，最后一块淡蓝色表示的是右下角位置）。共有k^2×(C+1)个feature map。每个feature map，z(i,j,c)是第i+k(j-1)个立体块上的第c个map（1<= i,j <=3）。(i,j)决定了9种位置的某一种位置，假设为左上角位置（i=j=1），c决定了哪一类，假设为person类。在z(i,j,c)这个feature map上的某一个像素的位置是（x,y），像素值是value，则value表示的是原图对应的(x,y)这个位置上可能是人（c=‘person’）且是人的左上部位（i=j=1）的概率值。

ROI pooling操作的输入（对于C+1个类）是k ^2×(C+1)×W’ ×H’（W’和H’是ROI的宽度和高度）的score map上某ROI对应的那个立体块，且该立体块组成一个新的k ^2×(C+1)×W’ ×H’的立体块：每个颜色的立体块（C+1）都只抠出对应位置的一个bin，把这k×k个bin组成新的立体块，大小为（C+1）×W’×H’。例如，下图中的第一块黄色只取左上角的bin，最后一块淡蓝色只取右下角的bin。所有的bin重新组合后就变成了类似右图的那个薄的立体块（图中的这个是池化后的输出，即每个面上的每个bin上已经是一个像素。池化前这个bin对应的是一个区域，是多个像素）。ROI pooling的输出为为一个（C+1）×k×k的立体块，如上图。
最后k×k个bin直接进行求和（每个类单独做）得到每一类的score，并进行softmax得到每类的最终得分，并用于计算损失。