DeepLearing—CV系列（七）——多类多目标物体的侦测——R-CNN系列

计算机视觉的任务：
分类->分类+回归->目标侦测->实例分割

单目标识别追踪：

多目标识别追踪：R-CNN系列

一、R-CNN

在原图进行操作，根据聚类算法（颜色，边缘，纹理等）对图像区域分割成块，分割后的图像区域大小不一样，要做一个合并，再缩放到相同大小，再把不同大小的图像输入到同一个网络当中去，进行回归/分类(SVM)，用全连接输出，所以输入的图像大小要固定。
缺点：
①慢，同一张图像会有2000张建议框，选择性搜索
②每个区域大小不一样，要缩放到固定大小
③SVM效果不够好

二、Fast R-CNN

在特征图上进行操作把图像直接输入到卷积网络中，在特征图上进行操作，把相似区域合并，会减少一些特征图，在特征图上聚类也会聚类的少一些；对特征框进行聚类，再对特征框进行ROI Pooling，得到相同大小的特征图7*7，统一输入到全连接，进行分类(softmax)/回归(线性层)。

没用SPP(空间金字塔池化)，用的ROI Pooling： 输入不同，得到相同大小的输出
对每个建议框，先进行下采样(Vgg下采样5次)，再池化成7*7； 池化时，小数部分去掉
800x800里有665x665的目标，下采样时为20.78，取20，20除以7，画成7x7的格子，每个格子的大小为2.86,取为2x2，再取最大的值做为特征，即为7x7

三、SPP-Net

**空间金字塔池化:**设计池化核及步长不一样，使输出相同，不再需要缩放；9个建议框。

四、ASPP

空洞空间卷积池化金字塔(atrous spatial pyramid pooling (ASPP)

五、Faster-R-CNN

如上图，Faster RCNN其实可以分为4个主要内容：

1）Conv layers。作为一种CNN网络目标检测方法，Faster RCNN首先使用一组基础的conv+relu+pooling层提取image的feature maps。该feature maps被共享用于后续RPN层和全连接层。
2）Region Proposal Networks。RPN网络用于生成region proposals。该层通过softmax判断anchors属于positive或者negative，再利用bounding box regression修正anchors获得精确的proposals。
3）Roi Pooling。该层收集输入的feature maps和proposals，综合这些信息后提取proposal feature maps，送入后续全连接层判定目标类别。
4）Classification。利用proposal feature maps计算proposal的类别，同时再次bounding box regression获得检测框最终的精确位置。

5.1 Conv layers

上图展示了python版本中的VGG16模型中的faster_rcnn_test.pt的网络结构，可以清晰的看到该网络对于一副任意大小PxQ的图像：

1）首先缩放至固定大小MxN，然后将MxN图像送入网络；
2）而Conv layers中包含了13个conv层+13个relu层+4个pooling层； RPN网络首先经过3x3卷积，再分别生成positive
3）anchors和对应bounding box regression偏移量，然后计算出proposals；
4） 而Roi Pooling层则利用proposals从feature maps中提取proposalfeature送入后续全连接和softmax网络作classification（即分类proposal到底是什么object）。

Conv layers包含了conv，pooling，relu三种层。这里有一个非常容易被忽略但是又无比重要的信息，在Conv layers中：

所有的conv层都是：kernel_size=3，pad=1，stride=1
所有的pooling层都是：kernel_size=2，pad=0，stride=2

在Faster RCNN Conv layers中对所有的卷积都做了扩边处理（ pad=1，即填充一圈0），导致原图变为(M+2)x(N+2)大小，再做3x3卷积后输出MxN 。正是这种设置，导致Conv layers中的conv层不改变输入和输出矩阵大小。

类似的是，Conv layers中的pooling层kernel_size=2，stride=2。这样每个经过pooling层的MxN矩阵，都会变为(M/2)x(N/2)大小。综上所述，在整个Conv layers中，conv和relu层不改变输入输出大小，只有pooling层使输出长宽都变为输入的1/2。

那么，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featuremap中都可以和原图对应起来。

5.2 Region Proposal Networks(RPN)

经典的检测方法生成检测框都非常耗时，如
①OpenCV adaboost使用滑动窗口+图像金字塔生成检测框；
②或如R-CNN使用SS(Selective Search)方法生成检测框。
③而Faster RCNN则抛弃了传统的滑动窗口和SS方法，直接使用RPN生成检测框，这也是Faster R-CNN的巨大优势，能极大提升检测框的生成速度。

上图展示了RPN网络的具体结构。可以看到RPN网络实际分为2条线，上面一条通过softmax分类anchors获得positive和negative分类，下面一条用于计算对于anchors的bounding box regression偏移量，以获得精确的proposal。而最后的Proposal层则负责综合positive anchors和对应bounding box regression偏移量获取proposals，同时剔除太小和超出边界的proposals。其实整个网络到了Proposal Layer这里，就完成了相当于目标定位的功能。

其实RPN最终就是在原图尺度上，设置了密密麻麻的候选Anchor。然后用cnn去判断哪些Anchor是里面有目标的positive anchor，哪些是没目标的negative anchor。所以，仅仅是个二分类而已！

改进：聚类聚出的特征框，进行筛选，不是目标的去掉，是目标的送到模型里进行分类和回归；
加了区域选择网络（RPN）：根据置信度选择。

VGG16输出 [50x38x512] 的特征，对应设置 [50x38xk] 个anchors，而RPN输出：大小为[50x38x2k] 的positive/negative softmax分类特征矩阵 大小为 [50x38x4k] 的regression坐标回归特征矩阵恰好满足RPN完成positive/negative分类+bounding box regression坐标回归.
每个anhcor要分positive和negative，所以每个点由256维feature转化为cls=2k scores；而每个anchor都有(x, y, w, h)对应4个偏移量，所以reg=4k coordinates.

5.3 RoI pooling

RoI Pooling层则负责收集proposal，并计算出proposal feature maps，送入后续网络。从图2中可以看到Rol pooling层有2个输入：
1）原始的feature maps
2）RPN输出的proposal boxes（大小各不相同）

5.4 Classification

Classification部分利用已经获得的proposal feature maps，通过full connect层与softmax计算每个proposal具体属于那个类别（如人，车，电视等），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部分网络结构如下图。

从RoI Pooling获取到7x7=49大小的proposal feature maps后，送入后续网络，可以看到做了如下2件事：

1）通过全连接和softmax对proposals进行分类，这实际上已经是识别的范畴了
2）再次对proposals进行bounding box regression，获取更高精度的rect box

六、mask-R-CNN

做图像分割

七、总结

自己总结的R-CNN系列思维导图：