物体检测技术的简单介绍

1. 物体检测技术概念
物体检测技术，通常是指在一张图像中检测出物体出现的位置及对 应的类别，主要包括物体类别、 $x_{min}$、$y_{min}$、$x_{max}$与$y_{max}$。它是一项非常基础的任 务，图像分割、物体追踪、关键点检测等通常都要依赖于物体检测。

2. 图像分类、物体检测与图像分割的区别

• 图像分类：输入图像往往仅包含一个物体，目的是判断每张图像 是什么物体，是图像级别的任务，相对简单，发展也最快。
• 物体检测：输入图像中往往有很多物体，目的是判断出物体出现 的位置与类别，是计算机视觉中非常核心的一个任务。 ·
• 图像分割：输入与物体检测类似，但是要判断出每一个像素属于 哪一个类别，属于像素级的分类。图像分割与物体检测任务之间有很多 联系，模型也可以相互借鉴

3. 传统的物体检测
传统的物体检测，不涉及深度学习之前，通常分 为区域选取、特征提取与特征分类这3个阶段

• 区域选取：首先选取图像中可能出现物体的位置，由于物体位 置、大小都不固定，因此传统算法通常使用滑动窗口（Sliding Windows）算法，但这种算法会存在大量的冗余框，并且计算复杂度 高
• 特征提取：在得到物体位置后，通常使用人工精心设计的提取器 进行特征提取，如SIFT和HOG等。由于提取器包含的参数较少，并且 人工设计的鲁棒性较低，因此特征提取的质量并不高。
• ·特征分类：最后，对上一步得到的特征进行分类，通常使用如 SVM、AdaBoost的分类器。

4. 深度学习时代的物体检测
深度神经网络大 量的参数可以提取出鲁棒性和语义性更好的特征，并且分类器性能也更 优越。
2014年的RCNN（Regions with CNN features）算是使用深度学习 实现物体检测的经典之作，从此拉开了深度学习做物体检测的序幕。

• 在RCNN基础上，2015年的Fast RCNN实现了端到端的检测与卷积 共享，Faster RCNN提出了锚框（Anchor）这一划时代的思想，将物体 检测推向了第一个高峰。在2016年，YOLO v1实现了无锚框（Anchor- Free）的一阶检测，SSD实现了多特征图的一阶检测，这两种算法对随 后的物体检测也产生了深远的影响
• 在2017年，FPN利用特征金字塔实现了更优秀的特征提取网络， Mask RCNN则在实现了实例分割的同时，也提升了物体检测的性能。 进入2018年后，物体检测的算法更为多样，如使用角点做检测的 CornerNet、使用多个感受野分支的TridentNet、使用中心点做检测的 CenterNet等。
• 在物体检测算法中，物体边框从无到有，边框变化的过程在一定程 度上体现了检测是一阶的还是两阶的。
  • 两阶：两阶的算法通常在第一阶段专注于找出物体出现的位置， 得到建议框，保证足够的准召率，然后在第二个阶段专注于对建议框进 行分类，寻找更精确的位置，典型算法如Faster RCNN。两阶的算法通 常精度准更高，但速度较慢。当然，还存在例如Cascade RCNN这样更 多阶的算法。
  • 一阶：一阶的算法将二阶算法的两个阶段合二为一，在一个阶段里完成寻找物体出现位置与类别的预测，方法通常更为简单，依赖于特 征融合、Focal Loss等优秀的网络经验，速度一般比两阶网络更快，但 精度会有所损失，典型算法如SSD、YOLO系列等

锚框（Anchor）这一划时代的思想，，最早出现在Faster RCNN中，其本质 上是一系列大小宽高不等的先验框，均匀地分布在特征图上，利用特征 去预测这些Anchors的类别，以及与真实物体边框存在的偏移。Anchor 相当于给物体检测提供了一个梯子，使得检测器不至于直接从无到有地 预测物体，精度往往较高，常见算法有Faster RCNN和SSD等。
当然，还有一部分无锚框的算法，思路更为多样，有直接通过特征 预测边框位置的方法，如YOLO v1等。最近也出现了众多依靠关键点来 检测物体的算法，如CornerNet和CenterNet等。

5. 技术应用领域

• 安防（行人与车辆的检测。将检测技术融入到摄像头中， 形成智能摄像头）
• 自动驾驶（行人、车辆等障碍物的检测）
• 机器人（工业机器人自动分拣，识别要分拣的物体或部件；移动智能机器人用于检测各种障碍物，以实现安全的避障与导航）
• 搜索推荐（对于包含特定物体的图像过滤、筛选、推荐和水印处理）
• 医疗诊断（对CT、MR等医疗图 像中特定的关节和病症进行诊断）

6. 评价指标
（1）评价指标需要针对不同的运用给出不同的指标

• 图像分类
  对于图像分类任务来讲，由于其输出是很简单的图像 类别，因此很容易通过判断分类正确的图像数量来进行衡量。
• 物体检测
  对于具 体的某个物体来讲，我们可以从预测框与真实框的贴合程度来判断检测 的质量，通常使用IoU（Intersection of Union）来量化贴合程度。

（2） 物体检测指标：IoU
① IoU的计算方式如图：

它通过使用两个边框的交集与并集的比 值，就可以得到IoU，公式如下：
$$Io{U}_{A,B}=\frac{S_A\cap S_B}{S_A\cup S_B}$$显而易见，IoU的取值区间是[0,1]，IoU值越大，表明两个框重合越好

② Python实现IoU的计算

备注：个人觉得，这参考代码是以左上角为原点。
源码：

# -*- coding: utf-8 -*-
def iou(boxA, boxB):
    # 计算重合部分的上、下、左、右4个边的值，注意最大最小函数的使用
    left_max = max(boxA[0], boxB[0])
    top_max = max(boxA[1], boxB[1])
    right_min = min(boxA[2], boxB[2])
    bottom_min = min(boxA[3], boxB[3])
    # 计算重合部分的面积
    inter = max(0, (right_min-left_max)) * max(0, (bottom_min-top_max))
    Sa = (boxA[2]-boxA[0]) * (boxA[3]-boxA[1])  # A的面积
    Sb = (boxB[2]-boxB[0]) * (boxB[3]-boxB[1])  # B的面积
    # 计算所有区域的面积并计算iou，如果是Python 2，则要增加浮点化操作
    union = Sa + Sb - inter  # 不重叠部分的面积
    iou = inter / union
    return iou

对于IoU而言，通常会选取一个阈值，如0.5，来确定预测框是 正确的还是错误的。当两个框的IoU大于0.5时，我们认为是一个有效的 检测，否则属于无效的匹配。
关于检测评测，可以先读这篇文字：分类效果评价
结合分类效果评级，我们可以得到如下图左侧的部分知识

评测需要每张图片的预测值与标签值，对于某一个实 例，二者包含的内容分别如下： ·

• 预测值（Dets）：物体类别、边框位置的4个预测值、该物体的得分。
• 标签值（GTs）：物体类别、边框位置的4个真值。
  在预测值与标签值的基础上，AP的具体计算过程如下：
  
  我们首先将所有的预测框按照得分从高到低进行排序（因为得分越高的边框其对于真实物体的概率往往越大），然后从高到低遍历预测框
  对于遍历中的某一个预测框，计算其与该图中同一类别的所有标签框GTs的IoU，并选取拥有最大IoU的GT作为当前预测框的匹配对象。如果该IoU小于阈值，则将当前的预测框标记为误检框FP。
  如果该IoU大于阈值，还要看对应的标签框GT是否被访问过。如果 前面已经有得分更高的预测框与该标签框对应了，即使现在的IoU大于 阈值，也会被标记为FP。如果没有被访问过，则将当前预测框Det标记 为正确检测框TP，并将该GT标记为访问过，以防止后面还有预测框与 其对应
  在遍历完所有的预测框后，我们会得到每一个预测框的属性，即TP 或FP。在遍历的过程中，我们可以通过当前TP的数量来计算模型的召 回率（Recall，R），即当前一共检测出的标签框与所有标签框的比值，

$$R=\frac{TP}{len(GTs)}$$也可以计算准确率（Precision，P），即当 前遍历过的预测框中，属于正确预测边框的比值$$P=\frac{TP}{TP+FP}$$
遍历到每一个预测框时，都可以生成一个对应的P与R，这两个值 可以组成一个点(R,P)，将所有的点绘制成曲线，即形成了P-R曲线，如图：

从图中可以看出，如果直接取曲线 上的点，在哪里选取都不合适，因为召回率高的时候准确率会很低，准 确率高的时候往往召回率很低。这似乎与我们想要的P越高的同时R也越大互相矛盾，但是我们可以使用AP，AP顾名思义就是平均精准度，简单来说就是对PR曲线上的Precision值求均值
$$AP={\int }_0^{1}PdR$$从公式中可以看出，AP代表了曲线的面积，每个类别的AP是相互独立 的，将每个类别的AP进行平均，即可得到mAP。严格意义上讲，还需 要对曲线进行一定的修正，再进行AP计算。除了求面积的方式，还可 以使用11个不同召回率对应的准确率求平均的方式求AP。