RCNN系列——超详细解析

一、基于Region Proposal（候选区域）的深度学习目标检测算法

Region Proposal（候选区域），就是预先找出图中目标可能出现的位置，通过利用图像中的纹理、边缘、颜色等信息，保证在选取较少窗口（几千个甚至几百个）的情况下保持较高的召回率（IoU，Intersection-over-Union）。

图1  IoU定义

Region Proposal方法比传统的滑动窗口方法获取的质量要更高。比较常用的Region Proposal方法有：SelectiveSearch(SS，选择性搜索)、Edge Boxes（EB）。

基于Region Proposal目标检测算法的步骤如下：

其中：

CNN方法见http://blog.csdn.net/qq_17448289/article/details/52850223。

边框回归（Bouding Box Regression）：是对RegionProposal进行纠正的线性回归算法，目的是为了让Region Proposal提取到的窗口与目标窗口（Ground Truth）更加吻合。

二、R-CNN、Fast R-CNN、Faster R-CNN三者关系

图2  三者关系

表1  三者比较

	使用方法	缺点	改进
R-CNN (Region-based Convolutional Neural Networks)	1、SS提取RP； 2、CNN提取特征； 3、SVM分类； 4、BB盒回归。	1、 训练步骤繁琐（微调网络+训练SVM+训练bbox）； 2、 训练、测试均速度慢 ； 3、 训练占空间	1、 从DPM HSC的34.3%直接提升到了66%（mAP）； 2、 引入RP+CNN
Fast R-CNN (Fast Region-based Convolutional Neural Networks)	1、SS提取RP； 2、CNN提取特征； 3、softmax分类； 4、多任务损失函数边框回归。	1、 依旧用SS提取RP(耗时2-3s，特征提取耗时0.32s)； 2、 无法满足实时应用，没有真正实现端到端训练测试； 3、 利用了GPU，但是区域建议方法是在CPU上实现的。	1、 由66.9%提升到70%； 2、 每张图像耗时约为3s。
Faster R-CNN (Fast Region-based Convolutional Neural Networks)	1、RPN提取RP； 2、CNN提取特征； 3、softmax分类； 4、多任务损失函数边框回归。	1、 还是无法达到实时检测目标； 2、 获取region proposal，再对每个proposal分类计算量还是比较大。	1、 提高了检测精度和速度； 2、  真正实现端到端的目标检测框架； 3、  生成建议框仅需约10ms。

2.1 R-CNN目标检测流程介绍

  

具体可参考http://blog.csdn.net/shenxiaolu1984/article/details/51066975

2.2 Fast R-CNN目标检测流程介绍

注意：Fast R-CNN的RegionProposal是在feature map之后做的，这样可以不用对所有的区域进行单独的CNN Forward步骤。

Fast R-CNN框架如下图：

                                                                                                                                            图3  Fast R-CNN框架

Fast R-CNN框架与R-CNN有两处不同：

① 最后一个卷积层后加了一个ROI pooling layer；

② 损失函数使用了multi-task loss（多任务损失）函数，将边框回归直接加到CNN网络中训练。分类Fast R-CNN直接用softmax替代R-CNN用的SVM进行分类。

Fast R-CNN是端到端（end-to-end）的。

具体可参考http://blog.csdn.net/shenxiaolu1984/article/details/51036677

三、Faster R-CNN目标检测

3.1 Faster R-CNN的思想

Faster R-CNN可以简单地看做“区域生成网络RPNs + Fast R-CNN”的系统，用区域生成网络代替FastR-CNN中的Selective Search方法。Faster R-CNN这篇论文着重解决了这个系统中的三个问题：
1. 如何设计区域生成网络；
2. 如何训练区域生成网络；
3. 如何让区域生成网络和Fast RCNN网络共享特征提取网络。

在整个Faster R-CNN算法中，有三种尺度：
1. 原图尺度：原始输入的大小。不受任何限制，不影响性能。

2. 归一化尺度：输入特征提取网络的大小，在测试时设置，源码中opts.test_scale=600。anchor在这个尺度上设定。这个参数和anchor的相对大小决定了想要检测的目标范围。
3. 网络输入尺度：输入特征检测网络的大小，在训练时设置，源码中为224*224。

3.2 Faster R-CNN框架介绍

图4  Faster R-CNN模型

Faster-R-CNN算法由两大模块组成：

1.PRN候选框提取模块；

2.Fast R-CNN检测模块。

其中，RPN是全卷积神经网络，用于提取候选框；Fast R-CNN基于RPN提取的proposal检测并识别proposal中的目标。

3.3 RPN介绍

3.3.1背景

目前最先进的目标检测网络需要先用区域建议算法推测目标位置，像SPPnet和Fast R-CNN这些网络虽然已经减少了检测网络运行的时间，但是计算区域建议依然耗时较大。所以，在这样的瓶颈下，RBG和Kaiming He一帮人将Region Proposal也交给CNN来做，这才提出了RPN（Region Proposal Network）区域建议网络用来提取检测区域，它能和整个检测网络共享全图的卷积特征，使得区域建议几乎不花时间。

RCNN解决的是，“为什么不用CNN做classification呢？”

Fast R-CNN解决的是，“为什么不一起输出bounding box和label呢？”

Faster R-CNN解决的是，“为什么还要用selective search呢？”

3.3.2RPN核心思想

RPN的核心思想是使用CNN卷积神经网络直接产生Region Proposal，使用的方法本质上就是滑动窗口（只需在最后的卷积层上滑动一遍），因为anchor机制和边框回归可以得到多尺度多长宽比的Region Proposal。

RPN网络也是全卷积网络（FCN，fully-convolutional network），可以针对生成检测建议框的任务端到端地训练，能够同时预测出object的边界和分数。只是在CNN上额外增加了2个卷积层（全卷积层cls和reg）。

①将每个特征图的位置编码成一个特征向量（256dfor ZF and 512d for VGG）。

②对每一个位置输出一个objectness score和regressedbounds for k个region proposal，即在每个卷积映射位置输出这个位置上多种尺度（3种）和长宽比（3种）的k个（3*3=9）区域建议的物体得分和回归边界。

RPN网络的输入可以是任意大小（但还是有最小分辨率要求的，例如VGG是228*228）的图片。如果用VGG16进行特征提取，那么RPN网络的组成形式可以表示为VGG16+RPN。

VGG16：参考

https://github.com/rbgirshick/py-faster-rcnn/blob/master/models/pascal_voc/VGG16/faster_rcnn_end2end/train.prototxt，可以看出VGG16中用于特征提取的部分是13个卷积层（conv1_1---->conv5.3），不包括pool5及pool5后的网络层次结构。

因为我们的最终目标是和Fast R-CNN目标检测网络共享计算，所以假设这两个网络共享一系列卷积层。在论文的实验中，ZF有5个可共享的卷积层， VGG有13个可共享的卷积层。

RPN的具体流程如下：使用一个小网络在最后卷积得到的特征图上进行滑动扫描，这个滑动网络每次与特征图上n*n（论文中n=3）的窗口全连接（图像的有效感受野很大，ZF是171像素，VGG是228像素），然后映射到一个低维向量（256d for ZF / 512d for VGG），最后将这个低维向量送入到两个全连接层，即bbox回归层（reg）和box分类层（cls）。sliding window的处理方式保证reg-layer和cls-layer关联了conv5-3的全部特征空间。

reg层：预测proposal的anchor对应的proposal的（x,y,w,h）

cls层：判断该proposal是前景（object）还是背景（non-object）。

 

图5  RPN框架

在图5中，要注意，3*3卷积核的中心点对应原图（re-scale，源代码设置re-scale为600*1000）上的位置（点），将该点作为anchor的中心点，在原图中框出多尺度、多种长宽比的anchors。所以，anchor不在conv特征图上，而在原图上。

图6  9种anchor（注意：是不同位置）

图7  Faster R-CNN卷积流程图

原图600*1000经CNN卷积后，在CNN最后一层（conv5）得出的是40*60大小的特征图，对应文中说的典型值为2400。若特征图大小为W*H，则需要W*H*K个anchor，本文中需要40*60*9≈2k个。

在RPN网络中，我们需要重点理解其中的anchors概念，Loss fucntions计算方式和RPN层训练数据生成的具体细节。

3.4 RPN的平移不变性

在计算机视觉中的一个挑战就是平移不变性:比如人脸识别任务中，小的人脸(24*24的分辨率)和大的人脸(1080*720)如何在同一个训练好权值的网络中都能正确识别。若是平移了图像中的目标，则建议框也应该平移，也应该能用同样的函数预测建议框。

传统有两种主流的解决方式：
第一、对图像或feature map层进行尺度\宽高的采样;
第二、对滤波器进行尺度\宽高的采样(或可以认为是滑动窗口).

但Faster R-CNN解决该问题的具体实现是：通过卷积核中心(用来生成推荐窗口的Anchor)进行尺度、宽高比的采样，使用3种尺度和3种比例来产生9种anchor。

3.5 窗口分类和位置精修

分类层（cls_score）输出每一个位置上，9个anchor属于前景和背景的概率。

窗口回归层（bbox_pred）输出每一个位置上，9个anchor对应窗口应该平移缩放的参数（x,y,w,h）。

对于每一个位置来说，分类层从256维特征中输出属于前景和背景的概率；窗口回归层从256维特征中输出4个平移缩放参数。

需要注意的是：并没有显式地提取任何候选窗口，完全使用网络自身完成判断和修正。

3.6 学习区域建议损失函数

3.6.1 标签分类规定

为了训练RPN，需要给每个anchor分配的类标签{目标、非目标}。对于positive label（正标签），论文中给了如下规定（满足以下条件之一即可判为正标签）：

注意，一个GT包围盒可以对应多个anchor，这样一个GT包围盒就可以有多个正标签。

事实上，采用第②个规则基本上可以找到足够的正样本，但是对于一些极端情况，例如所有的Anchor对应的anchor box与groud truth的IoU不大于0.7,可以采用第一种规则生成。

negative label（负标签）：与所有GT包围盒的IoU都小于0.3的anchor。

对于既不是正标签也不是负标签的anchor，以及跨越图像边界的anchor我们给予舍弃，因为其对训练目标是没有任何作用的。

3.6.2 多任务损失（来自Fast R-CNN）

图8  multi-task数据结构

Fast R-CNN网络有两个同级输出层（cls score和bbox_prdict层），都是全连接层，称为multi-task。

① clsscore层：用于分类，输出k+1维数组p，表示属于k类和背景的概率。对每个RoI（Region of Interesting）输出离散型概率分布

通常，p由k+1类的全连接层利用softmax计算得出。

② bbox_prdict层：用于调整候选区域位置，输出bounding box回归的位移，输出4*K维数组t，表示分别属于k类时，应该平移缩放的参数。

k表示类别的索引，是指相对于objectproposal尺度不变的平移，是指对数空间中相对于objectproposal的高与宽。

loss_cls层评估分类损失函数。由真实分类u对应的概率决定：

loss_bbox评估检测框定位的损失函数。比较真实分类对应的预测平移缩放参数和

真实平移缩放参数为的差别：

其中，smooth L1损失函数为：

smooth L1损失函数曲线如下图9所示，作者这样设置的目的是想让loss对于离群点更加鲁棒，相比于L2损失函数，其对离群点、异常值（outlier）不敏感，可控制梯度的量级使训练时不容易跑飞。

图9  smoothL1损失函数曲线

最后总损失为（两者加权和，如果分类为背景则不考虑定位损失）：

规定u=0为背景类（也就是负标签），那么艾弗森括号指数函数[u≥1]表示背景候选区域即负样本不参与回归损失，不需要对候选区域进行回归操作。λ控制分类损失和回归损失的平衡。Fast R-CNN论文中，所有实验λ=1。

艾弗森括号指数函数为：

源码中bbox_loss_weights用于标记每一个bbox是否属于某一个类。

3.6.3 Faster R-CNN损失函数

遵循multi-task loss定义，最小化目标函数，FasterR-CNN中对一个图像的函数定义为：

其中：

3.6.4 R-CNN中的boundingbox回归

下面先介绍R-CNN和Fast R-CNN中所用到的边框回归方法。

1.      为什么要做Bounding-box regression？

图10  示例

如图10所示，绿色的框为飞机的Ground Truth，红色的框是提取的Region Proposal。那么即便红色的框被分类器识别为飞机，但是由于红色的框定位不准(IoU<0.5)，那么这张图相当于没有正确的检测出飞机。如果我们能对红色的框进行微调，使得经过微调后的窗口跟Ground Truth更接近，这样岂不是定位会更准确。确实，Bounding-box regression 就是用来微调这个窗口的。

2.      回归/微调的对象是什么？

3.      Bounding-box regression（边框回归）

那么经过何种变换才能从图11中的窗口P变为窗口呢？比较简单的思路就是：

注意：只有当Proposal和Ground Truth比较接近时（线性问题），我们才能将其作为训练样本训练我们的线性回归模型，否则会导致训练的回归模型不work（当Proposal跟GT离得较远，就是复杂的非线性问题了，此时用线性回归建模显然不合理）。这个也是G-CNN: an Iterative Grid Based Object Detector多次迭代实现目标准确定位的关键。

线性回归就是给定输入的特征向量X，学习一组参数W，使得经过线性回归后的值跟真实值Y(Ground Truth)非常接近。即。那么Bounding-box中我们的输入以及输出分别是什么呢？

输入：这个是什么？输入就是这四个数值吗？其实真正的输入是这个窗口对应的CNN特征，也就是R-CNN中的Pool5feature（特征向量）。(注：训练阶段输入还包括 Ground Truth，也就是下边提到的)

输出：需要进行的平移变换和尺度缩放，或者说是。我们的最终输出不应该是Ground Truth吗？是的，但是有了这四个变换我们就可以直接得到Ground Truth，这里还有个问题，根据上面4个公式我们可以知道，P经过，得到的并不是真实值G，而是预测值。

的确，这四个值应该是经过 Ground Truth 和Proposal计算得到的真正需要的平移量和尺度缩放。

这也就是R-CNN中的：

 

那么目标函数可以表示为是输入Proposal的特征向量，是要学习的参数（*表示，也就是每一个变换对应一个目标函数），是得到的预测值。我们要让预测值跟真实值差距最小，得到损失函数为：

函数优化目标为：

利用梯度下降法或者最小二乘法就可以得到。

4.      测试阶段
   根据3我们学习到回归参数，对于测试图像，我们首先经过 CNN 提取特征，预测的变化就是，最后根据以下4个公式对窗口进行回归：

3.6.5 Faster R-CNN中的bounding box回归

其中：

※注意：计算regression loss需要三组信息：

1)     预测框，即RPN网络测出的proposa；

2)     锚点anchor box：之前的9个anchor对应9个不同尺度和长宽比的anchorbox；

3)     GroundTruth：标定的框。

3.7 训练RPNs

RPN通过反向传播（BP，back-propagation）和随机梯度下降（SGD，stochastic gradient descent）进行端到端（end-to-end）训练。依照FastR-CNN中的“image-centric”采样策略训练这个网络。每个mini-batch由包含了许多正负样本的单个图像组成。我们可以优化所有anchor的损失函数，但是这会偏向于负样本，因为它们是主要的。

采样

每一个mini-batch包含从一张图像中随机提取的256个anchor（注意，不是所有的anchor都用来训练），前景样本和背景样本均取128个，达到正负比例为1:1。如果一个图像中的正样本数小于128，则多用一些负样本以满足有256个Proposal可以用于训练。

初始化

新增的2层参数用均值为0，标准差为0.01的高斯分布来进行初始化，其余层（都是共享的卷积层，与VGG共有的层）参数用ImageNet分类预训练模型来初始化。

参数化设置（使用caffe实现）

在PASCAL数据集上：

前60k个mini-batch进行迭代，学习率设为0.001；

后20k个mini-batch进行迭代，学习率设为0.0001；

设置动量momentum=0.9，权重衰减weightdecay=0.0005。

 

3.8 非极大值抑制法

训练时（eg：输入600*1000的图像），如果anchor box的边界超过了图像边界，那这样的anchors对训练loss也不会产生影响，我们将超过边界的anchor舍弃不用。一幅600*1000的图像经过VGG16后大约为40*60，则此时的anchor数为40*60*9，约为20k个anchor boxes，再去除与边界相交的anchor boxes后，剩下约为6k个anchor boxes，这么多数量的anchorboxes之间肯定是有很多重叠区域，因此需要使用非极大值抑制法（NMS，non-maximum suppression）将IoU＞0.7的区域全部合并，最后就剩下约2k个anchor boxes（同理，在最终检测端，可以设置将概率大约某阈值P且IoU大约某阈值T的预测框采用NMS方法进行合并，注意：这里的预测框指的不是anchor boxes）。NMS不会影响最终的检测准确率，但是大幅地减少了建议框的数量。NMS之后，我们用建议区域中的top-N个来检测（即排过序后取N个）。

3.9 RPN与Fast R-CNN特征共享

Faster-R-CNN算法由两大模块组成：

1.PRN候选框提取模块；

2.Fast R-CNN检测模块。

我们已经描述了如何为生成区域建议训练网络，而没有考虑基于区域的目标检测CNN如何利用这些建议框。对于检测网络，我们采用Fast R-CNN，现在描述一种算法，学习由RPN和Fast R-CNN之间共享的卷积层。

RPN和Fast R-CNN都是独立训练的，要用不同方式修改它们的卷积层。因此需要开发一种允许两个网络间共享卷积层的技术，而不是分别学习两个网络。注意到这不是仅仅定义一个包含了RPN和Fast R-CNN的单独网络，然后用反向传播联合优化它那么简单。原因是Fast R-CNN训练依赖于固定的目标建议框，而且并不清楚当同时改变建议机制时，学习Fast R-CNN会不会收敛。

RPN在提取得到proposals后，作者选择使用Fast-R-CNN实现最终目标的检测和识别。RPN和Fast-R-CNN共用了13个VGG的卷积层，显然将这两个网络完全孤立训练不是明智的选择，作者采用交替训练（Alternating training）阶段卷积层特征共享：

第一步，我们依上述训练RPN，该网络用ImageNet预训练的模型初始化，并端到端微调用于区域建议任务；

第二步，我们利用第一步的RPN生成的建议框，由Fast R-CNN训练一个单独的检测网络，这个检测网络同样是由ImageNet预训练的模型初始化的，这时候两个网络还没有共享卷积层；

第三步，我们用检测网络初始化RPN训练，但我们固定共享的卷积层，并且只微调RPN独有的层，现在两个网络共享卷积层了；

第四步，保持共享的卷积层固定，微调Fast R-CNN的fc层。这样，两个网络共享相同的卷积层，构成一个统一的网络。

注意：第一次迭代时，用ImageNet得到的模型初始化RPN和Fast-R-CNN中卷积层的参数；从第二次迭代开始，训练RPN时，用Fast-R-CNN的共享卷积层参数初始化RPN中的共享卷积层参数，然后只Fine-tune不共享的卷积层和其他层的相应参数。训练Fast-RCNN时，保持其与RPN共享的卷积层参数不变，只Fine-tune不共享的层对应的参数。这样就可以实现两个网络卷积层特征共享训练。相应的网络模型请参考https://github.com/rbgirshick/py-faster-rcnn/tree/master/models/pascal_voc/VGG16/faster_rcnn_alt_opt