CNN系列笔记（五）——Faster RCNN

      本文是继RCNN[1]，fast RCNN[2]之后，目标检测界的领军人物Ross Girshick团队在2015年的又一力作。简单网络目标检测速度达到17fps，在PASCAL VOC上准确率为59.9%；复杂网络达到5fps，准确率78.8%。作者在github上给出了基于matlab和python的源码。

一、基于Region Proposal（候选区域）的深度学习目标检测算法

1.1 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）。
      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方有：SelectiveSearch(SS，选择性搜索)、Edge Boxes（EB）。

1.2 基于Region Proposal目标检测算法的步骤如下：

                   

1.3 常见的CNN模型介绍

    https://blog.csdn.net/qq_17448289/article/details/52850223

1.4 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

   

	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。

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。

注：Fast R-CNN和Faster R-CNN是端到端（end-to-end）的；R-CNN不是端到端的。

三、Faster R-CNN目标检测

3.1 Faster R-CNN的思想

       faster RCNN可以简单地看做“候选区域生成网络+fast RCNN“的系统，用区域生成网络代替fast RCNN中的Selective Search方法。本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（RPN）
• 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 RCNN算法中，有三种尺度。
原图尺度：原始输入的大小。不受任何限制，不影响性能。
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。
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

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。

                  

                                                                      图1 Faster R-CNN基本结构（来自原文）

依作者看来，如图1，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foreground或者background，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。

所以本文以上述4个内容作为切入点介绍Faster R-CNN网络。
      图2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，首先缩放至固定大小MxN，然后将MxN图像送入网络；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foreground anchors与bounding box regression偏移量，然后计算出proposals；而Roi Pooling层则利用proposals从feature maps中提取proposal feature送入后续全连接和softmax网络作classification（即分类proposal到底是什么object）。

                 

                                  图2 faster_rcnn_test.pt网络结构 （pascal_voc/VGG16/faster_rcnn_alt_opt/faster_rcnn_test.pt）

未完待续。。。

https://zhuanlan.zhihu.com/p/31426458?utm_source=qq&utm_medium=social&utm_oi=827947156655718400

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Region Proposal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Region Proposal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）候选区域生成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Region Proposal几乎不花时间。

3.3.2 RPN详解

      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）。

      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。

      基本设想是：在提取好的特征图上，对所有可能的候选框进行判别。由于后续还有位置精修步骤，所以候选框实际比较稀疏。

             

    a、特征提取

      原始特征提取网络（上图灰色方框）包含若干层conv+relu，直接套用ImageNet上常见的分类网络模型即可，即ZF、VGG等。本文试验了两种网络：5层的ZF[3]，16层的VGG-16[4]。具体结构见1.3链接。

      RPN需要使用一个CNN网络对原始图片提取特征。为了方便读者理解，不妨设这个前置的CNN提取的特征为51×39×256，即高为51，宽为39，通道数为256。对这个卷积特征再进行一次卷积计算，保持宽、高、通道数不变，再次得到一个51×39×256的特征。

      论文里采用了“Anchor”机制来生成候选区域，为了方便叙述，先来定义一个“位置”的概念：对于一个51×39×256的卷积特征，称它一共有51×39个"位置"。让新的卷积特征的每一个"位置"都"负责”原图中对应位置的9种尺寸框的检测，检测的目标是判断框中是否存在一个物体，因此共用51×39×9个“框”。在Faster R-CNN原论文中，将这些框都统一称为"anchor"即锚点。

    b、候选区域(anchor)

      候选区域生成最简单粗暴的方法就是用多尺度(scale)，多视场(aspect ratio)的Sliding Window来生成。

                                                                                 Anchor机制解释图

• 所谓多尺度(scale):可以简单的理解为将图片缩放成一系列图像，这些不同大小的图像就代表不同的尺度。尺度是一个相对的概念。如上图(a)所示。
• 所谓多视场(aspect ratio):多视场这个是自己理解翻译的词。这个可以这么理解：对于图像中的某个目标比如猫，对猫的眼睛给个框，然后扩大这个框，把猫的脑袋也包括进来，然后继续扩大，把整个猫也包含进来。这样得到的一些框内的图像就算是多视场。如上图(b)所示

      特征可以看做一个尺度51×39的256通道图像，对于该图像的每一个位置，考虑9个可能的候选窗口：三种面积分别是128×128，256×256，512×512，每种面积又分成3种长宽比，分别是2:1,1:2,1:1 。这些候选窗口称为anchors（锚点）。做着就是通过这些anchors引入了检测中常用到的多尺度方法(检测各种大小的目标)，下图示出51×39个anchor中心，以及9种anchor示例。 

                                或

                                           图4  9种anchor（注意：左边是不同位置，右边是同一位置）

对于这51×39个位置和51×39×9个anchor，下图展示了接下来每个位置的计算步骤：

• 设k为单个位置对应的anchor的个数，此时k=9，通过增加一个3×3滑动窗口操作以及两个卷积层完成区域建议功能；
• 第一个卷积层将特征图每个滑窗位置编码成一个特征向量，第二个卷积层对应每个滑窗位置输出k个区域得分，表示该位置的anchor为物体的概率，这部分总输出长度为2×k(一个anchor对应两个输出：是物体的概率+不是物体的概率)和k个回归后的区域建议(框回归)，一个anchor对应4个框回归参数，因此框回归部分的总输出的长度为4×k，并对得分区域进行非极大值抑制后输出得分Top-N(文中为300)区域，告诉检测网络应该注意哪些区域，本质上实现了Selective Search、EdgeBoxes等方法的功能。
• 这样得到的候选区域虽然会有误差，不过后面还会有2次bounding box回归来修正检测框位置，所以就无所谓了，只要不是差太多就行。

                           

                                                                       图5 RPN框架

      对于每一个像素都进行预测9个anchor，如果最后一层feature map是51x39大小的话，就要预测51x39x9个anchor，选出前300个得分高的作为候选区域，这样相比于Selective search得到的2000个区域少了很多，而且作者还进行了实验，发现用RPN得到的候选区域比selective search得到的Recall高很多。

      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（锚点）的中心点，在原图中框出多尺度、多种长宽比的anchors（图4右图）。所以，anchor不在conv特征图上，而在原图上。对于一个大小为H*W的特征层，它上面每一个像素点对应9个anchor,这里有一个重要的参数feat_stride = 16， 它表示特征层上移动一个点，对应原图移动16个像素点(看一看网络中的stride就明白16的来历了)。把这9个anchor的坐标进行平移操作，获得在原图上的坐标。之后根据ground truth label（基本真相标签）和这些anchor之间的关系生成rpn_lables，具体的方法论文中有提到，根据overlap来计算，这里就不详细说明了，生成的rpn_labels中，positive的位置被置为1，negative的位置被置为0，其他的为-1。box_target通过_compute_targets()函数生成，这个函数实际上是寻找每一个anchor最匹配的ground truth box， 然后进行论文中提到的box坐标的转化。http://blog.csdn.net/zhangwenjie89/article/details/52012880

      RPN的具体流程如下（参照上图）：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）。

              

    c、框回归

      如图绿色表示的是飞机的实际框标签(ground truth)，红色的表示的其中一个候选区域(foreground anchor)，即被分类器识别为飞机的区域，但是由于红色区域定位不准确，这张图相当于没有正确检测出飞机，所以我们希望采用一种方法对红色的框进行微调，使得候选区域和实际框更加接近：

                                                      

      对于目标框一般使用四维向量来表示(x,y,w,h)，分别表示目标框的中心点坐标、宽、高，我们使用A表示原始的foreground anchor，使用G表示目标的ground truth，我们的目标是寻找一种关系，使得输入原始的Anchor A经过映射到一个和真实框G更接近的回归窗口G′，即：

                                                          

那么如何去计算FF呢？这里我们可以通过平移和缩放实现F(A)=G′：

• 平移：

                                                     

                                                     

• 缩放：

                                                    

                                                                                

      上面公式中，我们需要学习四个参数，分别是dx(A),dy(A),dw(A),dh(A),其中(Aw⋅dx(A),Aw⋅dy(A))表示的两个框中心距离的偏移量。当输入的anchor A与G相差较小时，可以认为这种变换是一种线性变换， 那么就可以用线性回归来建模对目标框进行微调（注意，只有当anchors A和G比较接近时，才能使用线性回归模型，否则就是复杂的非线性问题了）。

      接下来就是如何通过线性回归获得dx(A),dy(A),dw(A),dh(A)。线性回归就是给定输入的特征向量X，学习一组参数W，使得线性回归的输出WX和真实值Y的差很小。对于该问题，输入X是特征图，我们使用ϕ表示，同时训练时还需要A到G变换的真实参数值：(tx,ty,tw,th)；输出是dx(A),dy(A),dw(A),dh(A)，那么目标函数可以表示为：

                                                                             

      其中ϕ(A)是对应anchor的特征图组成的特征向量，w是需要学习的参数，d(A)是得到预测值,(*表示x,y,w,h，也就是每一个变换对应一个上述目标函数)，为了让预测值dx(A),dy(A),dw(A),dh(A)和真实值差距tx,ty,tw,th最小，代价函数如下：

                                                                           

函数优化目标为：

                                                                          

需要说明，只有在G和A比较接近时，才可近似认为上述线性变换成立，下面对于原文中，A与G之间的平移参数(tx,ty)和尺度因子(tw,th)为：

                                                                                 

      对于训练bouding box regression网络回归分支，输入是特征图ϕ，监督信号是A到G的变换参数(tx,ty,tw,th)，即训练的目标是：输入ϕ的情况下使网络输出与监督信号尽可能接近。那么bouding box regression工作时，再输入ϕ时，回归网络分支的输出就是每个anchor的平移参数和变换尺度(tx,ty,tw,th)，显然即可用来修正anchor位置了。

     d、候选框修正

      在得到每一个候选区域anchor A的修正参数(dx(A),dy(A),dw(A),dh(A))之后，我们就可以计算出精确的anchor，然后按照物体的区域得分从大到小对得到的anchor排序，然后提出一些宽或者高很小的anchor(获取其它过滤条件)，再经过非极大值抑制抑制，取前Top-N的anchors，然后作为proposals(候选框)输出，送入到RoI Pooling层。

 四、RoI Pooling层

       RoI Pooling层负责收集所有的候选框，并计算每一个候选框的特征图，然后送入后续网络，从Faster RCNN的结构图我们可以看到RoI Pooling层有两个输入：

• 原始的特征图；
• RPN网络输出的候选框；

4.1、为何使用RoI Pooling

    先来看一个问题：对于传统的CNN（如AlexNet，VGG），当网络训练好后输入的图像尺寸必须是固定值，同时网络输出也是固定的大小。如果输入图像大小不定，这个问题就变得比较麻烦。有2种解决办法：

• 从图像中crop（裁剪）一部分传入网络；
• 将图像warp（放大）成需要的大小后传入网络；

           

      两种办法的示意图如上图，可以看到无论采取那种办法都不好，要么crop后破坏了图像的完整结构，要么warp破坏了图像原始形状信息。
      回忆RPN网络生成的proposals的方法：对foreground anchors进行bounding box regression，那么这样获得的proposals也是大小形状各不相同，即也存在上述问题。所以Faster R-CNN中提出了RoI Pooling解决这个问题。不过RoI Pooling是从Spatial Pyramid Pooling发展而来，有兴趣的读者可以自行查阅相关论文。

4.2、RoI Pooling原理

      我们把每一个候选框的特征图水平和垂直分为pooled_w(文章中为7)和pooled_h(7)份，对每一份进行最大池化处理，这样处理后，即使大小不一样的候选区，输出大小都一样，实现了固定长度的输出：

                                                                         

      然后我们把Top-N个固定输出(7×7=497×7=49)连接起来，组成特征向量，大小为Top−N×49Top−N×49，这里可以把Top-N看做样本数，49看做每一个样本的特征维数，送入全连接层。

五、分类和框回归

      通过RoI Pooling层我们已经得到所有候选区组成的特征向量，然后送入全连接层和softmax计算每个候选框具体属于哪个类别，输出类别的得分；同时再次利用框回归获得每个候选区相对实际位置的偏移量预测值，用于对候选框进行修正，得到更精确的目标检测框。

                                                    

      这里我们来看看全连接层，由于全连接层的参数w和b大小都是固定大小的，假设大小为49×26，那么输入向量的维度就要为Top−N×49，所以这就说明了RoI Pooling的重要性。

 

                      

         

            

 

二、候选区域（anchor） 生成 

 

 

 

六、区域生成网络的训练

3.1 正负样本的选取

考察训练集中的每张图像：

• a. 对每个标定的真值候选区域，与其重叠比例（IOU）最大的anchor记为前景样本（正样本）；
• b. 对a)剩余的anchor，如果其与某个ground truth（标定重叠）比例大于0.7，也记为前景样本；如果其与任意一个标定的重叠比例都小于0.3，记为背景样本（负样本）；
• c. 对a),b)剩余的anchor，弃去不用。
• d. 跨越图像边界的anchor弃去不用

 

3.2 超参数

原始特征提取网络使用ImageNet的分类样本初始化，其余新增层随机初始化。
每个mini-batch包含从一张图像中提取的256个anchor，前景背景样本1:1.
前60K迭代，学习率0.001，后20K迭代，学习率0.0001。
momentum设置为0.9，weight decay设置为0.0005。[5]

四、RPN和Fast R-CNN共享卷积层/特征

区域生成网络（RPN）和fast RCNN（准确来说是Fast R-CNN的分类和bounding box回归部分）都需要一个原始特征提取网络即CNN（下图灰色方框），其中CNN接上RPN，而后是Fast R-CNN，也就是说Fast R-CNN和RPN是共享CNN的。这个网络使用ImageNet的分类库得到初始参数W0，但要如何精调参数，使其同时满足两方的需求呢？本文讲解了三种方法。
                      

1）轮流训练/非近似联合训练

a. 从W0开始，训练RPN。用RPN提取训练集上的候选区域
b. 从W0开始，用候选区域训练Fast RCNN，参数记为W1
c. 从W1开始，训练RPN…
具体操作时，仅执行两次迭代，并在训练时冻结了部分层。论文中的实验使用此方法。
如Ross Girshick在ICCV 15年的讲座Training R-CNNs of various velocities中所述，采用此方法没有什么根本原因，主要是因为”实现问题，以及截稿日期“。

2）近似联合训练

直接在上图结构上训练。在backward计算梯度时，把提取的ROI区域当做固定值看待；在backward更新参数时，来自RPN和来自Fast RCNN的增量合并输入原始特征提取层。
此方法和前方法效果类似，但能将训练时间减少20%-25%。公布的python代码中包含此方法。

3）联合训练

直接在上图结构上训练。但在backward计算梯度时，要考虑ROI区域的变化的影响。推导超出本文范畴，请参看15年NIP论文[6]。

 

五、实验对比结果

除了开篇提到的基本性能外，还有一些值得注意的结论

• 与Selective Search方法（黑）相比，当每张图生成的候选区域从2000减少到300时，本文RPN方法（红蓝）的召回率下降不大。说明RPN方法的目的性更明确。

                                            

• 使用更大的Microsoft COCO库[7]训练，直接在PASCAL VOC上测试，准确率提升6%。说明faster RCNN迁移性良好，没有over fitting。                

                                                                  

六、代价函数：窗口分类和位置精修

同时最小化两种代价：
a. 分类误差
b. 前景样本的窗口位置偏差，即回归损失

•     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。

    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。

    就局部来说，这两层是全连接网络；就全局来说，由于网络在所有位置（共51*39个）的参数相同，所以实际用尺寸为1×1的卷积网络实现。

具体参看fast RCNN中的“分类与位置调整”段落。

      实际代码中，将51*39*9个候选位置根据得分排序，选择最高的一部分，再经过Non-Maximum Suppression（非极大值抑制）获得2000个候选结果。之后才送入分类器和回归器。 
      所以Faster-RCNN和RCNN, Fast-RCNN一样，属于2-stage的检测算法。

 

参考资料：

1. faster rcnn解读：很好，很详细，可跟2结合来看，有代码
2. 一文读懂Faster RCNN：详细全面，通俗易懂
3. Faster R-CNN/RPN/generate_anchors详解：有代码
4. 【目标检测】Faster RCNN算法详解 ：简单直观，条理清晰
5. Faster R-CNN论文阅读笔记 对RPN网络介绍的比较详细
6. Fast r-cnn详解 http://www.cnblogs.com/zyly/p/9247863.html
7. Girshick, Ross, et al. “Rich feature hierarchies for accurate object detection and semantic segmentation.” Proceedings of the IEEE conference on computer vision and pattern recognition. 2014. ↩
8. Girshick, Ross. “Fast r-cnn.” Proceedings of the IEEE International Conference on Computer Vision. 2015. ↩
9. M. D. Zeiler and R. Fergus, “Visualizing and understanding convolutional neural networks,” in European Conference on Computer Vision (ECCV), 2014. ↩
10. K. Simonyan and A. Zisserman, “Very deep convolutional networks for large-scale image recognition,” in International Conference on Learning Representations (ICLR), 2015. ↩
11. learning rate-控制增量和梯度之间的关系；momentum-保持前次迭代的增量；weight decay-每次迭代缩小参数，相当于正则化。 ↩
12. Jaderberg et al. “Spatial Transformer Networks”
13. NIPS 2015 ↩
14. 30万+图像，80类检测库。参看http://mscoco.org/。 ↩

 

 

 

采用SVD分解改进全连接层。如果是一个普通的分类网络，那么全连接层的计算应该远不及卷积层的计算，但是针对object detection，Fast RCNN在ROI pooling后每个region proposal都要经过几个全连接层，这使得全连接层的计算占网络的计算将近一半，如下图，所以作者采用SVD来简化全连接层的计算。另一篇博客链接讲的R-FCN网络则是对这个全连接层计算优化的新的算法。