Faster R-CNN算法详细流程

本博客主要参考了https://blog.csdn.net/Lin_xiaoyi/article/details/78214874，其中夹杂着自己看论文的理解。

Faster R-CNN论文采用的结构图如下所示。采用了VGG16作为特征提取的模块。

算法流程图如下所示。Faster R-CNN提出了Region Proposal Network (RPN)，从与fast R-CNN共享的卷积层中估计候选区域。由于RPN与fast R-CNN在前几个卷积层共享参数， 因此，候选区域计算与分类网络计算有大部分重合， 大大减少了整体检测的时间。

 

算法具体步骤：

1.conv_layer

在输入图像的步骤中，作者把原图都reshape成M×N大小的图片。
conv_layer中包含了conv，relu，pooling三种层，就VGG16而言，就有13个conv层，13个relu层，４个pooling层。在conv_layer中：
（1）所有的conv层都是kernel_size=3,pad=1
（2）所有的pooling层都是kernel_size=2,stride=2

所以，一个MxN大小的矩阵经过conv_layers固定变为(M/16)x(N/16)！这样conv_layers生成的featuure map中都可以和原图对应起来。最后得到51x39x256

2.Region Propocal Networks（RPN）

上图中展示了RPN网络的具体结构，可以看到，feature map 经过一个3×3卷积核卷积后分成了两条线，上面一条通过softmax对anchors分类获得foreground和background（检测目标是foregrounnd），因为是２分类，所以它的维度是2kscores。下面那条线是用于计算anchors的bounding box regression的偏移量，以获得精确的proposal。它的维度是4k coordinates。而最后proposcal层则负责综合foreground anchors和bounding box regression偏移量获取proposal，同时剔除太小和超出边界的propocals,其实网络到这个Proposal Layer这里，就完成了目标定位的功能。

如上图所示，对于feature map中的每个3×3的窗口，作者就以这个滑动窗口的中心点对应原始图片的中心点。然后作者假定，这个3×3的窗口，是从原始图片通过SPP池化得到，而这个池化的面积及比例，就是一个个anchors。换句话说，对于每个3x3窗口，作者假定它来自9种不同原始区域的池化，但是这些池化在原始图片中的中心点，都完全一样。这个中心点，就是刚刚提到的，3x3窗口中心点所对应的原始图片中的中心点。如此一来，在每个窗口位置，我们都可以根据不同的长宽比例，不同的面积的anchors，逆向推导出它所对应的原始图片的一个区域，这个区域的尺寸以及坐标，都是已知。而这个区域，就是我们想要的proposal。接下来，每个proposal我们只输出6个参数，每个proposal和ground truth进行比较得到的前景概率和背景概率（2个参数）对应图片上的cls_score，由于每个proposal和groundtruth的位置及尺寸上的差异从proposal通过平移缩放得到ground truth需要的4个平移缩放参数（对应图片上bbox_pred）。

什么是anchors：

在feature map上的每个特征点预测多个region proposals。具体作法是：把每个特征点映射回原图的感受野的中心点当成一个基准点，然后围绕这个基准点选取k个不同scale、aspect ratio的anchor。论文中3个scale（三种面积{ 128^2, 256^2,

521^2)，3个aspect ratio({1:1,1:2,2:1})。虽然 anchors 是基于卷积特征图定义的，但最终的 anchos 是相对于原始图片的。

 

上图是原始图片上的 Anchor Centers。

上图中，左：Anchors；中：单个点的 Anchor；右：全部Anchors。

得到了feature map之后，对于上面的每个3*3的小滑动窗口是如何处理的？ 

 

一副MxN大小的矩阵送入Faster R-CNN网络后，到RPN网络变为(M/16)x(N/16)，不妨设W=M/16，H=N/16。W=51,N=39,通道数是256，在进入reshape与softmax之前，先做了1x1卷积。

经过卷积的输出的图像为Ｗ×H×18大小。这刚好对应了feature maps每一个点都有９个anchors,同时每个anchors又可能foreground和background，所以这些信息都保存在W×Hx(9x2)大小的矩阵。为啥要这样做，因为后面的softmax类获得foreground anchors，也就是相当于初步提取了检测目标候选区域box（一般认为目标在foreground anchors中）。

那么为何要在softmax前后都接一个reshape layer？其实只是为了便于softmax分类，至于具体原因这就要从caffe的实现形式说起了。在caffe基本数据结构blob中以如下形式保存数据：

blob=[batch_size,channel,height,width]

对应至上面的保存bg/fg anchors的矩阵，其在caffe blob中的存储形式为[1, 2*9, H, W]。而在softmax分类时需要进行fg/bg二分类，所以reshape layer会将其变为[1, 2，9H, W]大小，即单独“腾空”出来一个维度以便softmax分类，之后再reshape回复原状。贴一段caffe softmax_loss_layer.cpp的reshape函数的解释，非常精辟：

"Number of labels must match number of predictions; " 

"e.g., if softmax axis == 1 and prediction shape is (N, C, H, W), " 

"label count (number of labels) must be N*H*W, " 

"with integer values in {0, 1, ..., C-1}.";

综上所述，RPN网络中利用anchors和softmax初步提取了foreground anchors作为候选区域。

RPN下面的分支的是做什么的？

经过卷积输出图像为W×H×36，在caffe blob存储为[1,36,H,W],这里相当于feature maps每个点都有9个anchors,每个anchors又有４个用于回归的[dx(A),dy(A),dw(A),dh(A)]变换量。

首先解释下im_info，对于一幅任意大小的P*Q图像，传入Fsater Rcnn前首先reshape到M*N大小，im_info=[M, N, scale_factor]则保存了此次缩放的所有信息。然后经过Conv Layers，经过4次pooling变为WxH=(M/16)x(N/16)大小，其中feature_stride=16则保存了该信息，用于计算anchor偏移量。

RPN的损失函数如下：

pi^*表示每个anchor的标签， 表示anchor中是否有物体存在；如果anchor和每个ground true box的IOU中存在最大值，标签是1；如果anchor和每个ground true box的IOU大于0.7，标签是1；如果anchor和每个ground true box的IOU小于0.3，标签是1；Loss的第一部分是pi和pi^*的log损失，第二项表示如果这个anchor存在物体，加入bbox损失。

经过上面三部分的处理，得到候选的anchors，但是这些anchors的框的大小各不相同，需要进行ROIpooling。

 

什么是ROI Pooling层？

RoI Pooling层负责收集proposal，并计算出proposal feature maps，送入后续网络。从算法流程图中可以看到Rol pooling层有2个输入：

（1）原始的featrue map

（2）RPN输出的proposal boxes（大小各不相同）

ROI Pooling layerl forward过程：在这之前有明确提到：proposal=[x1,y1,x2,y2]是对应M*N尺度的，也就是输入的图像尺寸的，所以首先使用spatial_scale参数将其映射回(M/16)x(N/16)大小的feature map尺度；之后将每个proposal水平方向和竖直方向都分成７份，对每一份都进行max pooling处理，这样处理后，即使大小不同的proposal，输出的结果都是7*7大小的，实现了fixed-length output（固定长度输出）。

3.分类和bbox回归 

classification部分利用已经获得的proposal featuer map，通过full connect层与softmax计算每个proposal具体属于哪个类别（如车，人等），输出cls_prob概率向量；同时再次利用Bounding box regression获得每个proposal的位置偏移量bbox_pred，用于回归更加精确的目标检测框。classification部分网络结构如下：

 从ROI Pooling获取到7*7=49大小的proposal feature maps后，送入后续的网络，可以看到做了如下２件事：
（1）通过全连接层和softmax对proposal进行分类。
（2）再次对proposals进行bounding box regression，获取更高精度的框。

4.如何训练

关于正负样本的划分： 考察训练集中的每张图像（含有人工标定的ground true box） 的所有anchor（N*M*k）。

a. 对每个标定的ground true box区域，与其重叠比例最大的anchor记为 正样本 (保证每个ground true 至少对应一个正样本anchor)

b. 对a)剩余的anchor，如果其与某个标定区域重叠比例大于0.7，记为正样本（每个ground true box可能会对应多个正样本anchor。但每个正样本anchor 只可能对应一个grand true box）；如果其与任意一个标定的重叠比例都小于0.3，记为负样本。

 

定义损失函数：对于每个anchor，首先在后面接上一个二分类softmax，有2个score 输出用以表示其是一个物体的概率与不是一个物体的概率 (p_i)，然后再接上一个bounding box的regressor 输出代表这个anchor的4个坐标位置（t_i），因此RPN的总体Loss函数可以定义为 ：

i表示第i个anchor，当anchor是正样本时 p_i^* =1 ，是负样本则=0 。t_i^* 表示 一个与正样本anchor 相关的ground true box 坐标 （每个正样本anchor 只可能对应一个ground true box： 一个正样本anchor 与某个grand true box对应，那么该anchor与ground true box 的IOU要么是所有anchor中最大，要么大于0.7）

x,y,w,h分别表示box的中心坐标和宽高，x,x_a,x^* 分别表示 predicted box, anchor box, and ground truth box （y,w,h同理）t_i 表示predict box相对于anchor box的偏移，t_i^* 表示ground true box相对于anchor box的偏移，学习目标自然就是让前者接近后者的值。

作者发布的源代码里用了一种叫做4-Step Alternating Training的方法，思路和迭代的Alternating training有点类似，但是细节有点差别：

第一步：用ImageNet模型初始化，独立训练一个RPN网络；

第二步：仍然用ImageNet模型初始化，但是使用上一步RPN网络产生的proposal作为输入，训练一个Fast-RCNN网络，至此，两个网络每一层的参数完全不共享；

第三步：使用第二步的Fast-RCNN网络参数初始化一个新的RPN网络，但是把RPN、Fast-RCNN共享的那些卷积层的learning rate设置为0，也就是不更新，仅仅更新RPN特有的那些网络层，重新训练，此时，两个网络已经共享了所有公共的卷积层；

第四步：仍然固定共享的那些网络层，把Fast-RCNN特有的网络层也加入进来，形成一个unified network，继续训练，fine tune Fast-RCNN特有的网络层，此时，该网络已经实现我们设想的目标，即网络内部预测proposal并实现检测的功能。