神奇的目标检测

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前言

总结完经典的卷积神经网络后，我决定“进军”目标检测，谈一谈什么是目标检测，以及目标检测中经常出现的几个概念，同时会对比目标检测和分类任务有哪些地方不同。
本篇文章已经默认你有图像分类的基础啦~

一、目标检测是什么？

目标检测任务，是图像分类任务的延伸，给定神经网络一张图片，对于图像分类网络来说，只需要识别图片属于哪一个类别即可，给定的图片往往只包含单一目标。
对于目标检测网络来说，我们不仅要识别图中对象的类别（例如：人，汽车），还需要知道该对象在图片中的位置。给定的图片中可以包含多个分类如下图所示：

这就是目标检测，如果使用图像分类网络去识别一张图片（以上图为例）中的多分类的话，可以分为一下几个步骤，
首先，我们需要一个分类数据集包含4个类别（人，狗，马，以及非前面三类的类别），第二步，用该数据集去训练网络。第三步，在预测的时候用不同大小的窗口去遍历图片，将截取到的图片输入到神经网络进行预测，过程如下图所示：

用不同大小的窗口从图的左上角遍历到右下角，这就是早起的滑动窗口目标检测，这种方法特别耗费时间且计算量巨大。且定位目标不准确。
于是大佬们就想到，这样的滑动窗口，类似于卷积呀~！！！，于是就用卷积代替了这个过程，替代过程如下图所示：

用不同大小的卷积核对图片做卷积运算，最后得到8x8x4结果（这里先不用管为什么这么做，后续会解释）。这样对一张图片，网络只需要进行一次计算，就能得到相应的结果。这就是目标检测的基本概念了，是不是听起来也没那么难啊？

二、目标检测的相关概念

1.Bounding Box

在介绍Bounding Box 之前，我们先来介绍一下，对于目标检测中，真实值（y_label）是如何表示的。回顾一下对于图像分类网络中y_label的表示方法， 使用one-hot 标签假设有三类y_label 可以表示为：[1,0,0], [0,1,0], [0,0,1] 下标的索引表示对应的分类。对于目标检测y_label 又是如何表示的呢(以YOLO算法为例，Bounding Box的概念在yoloV2中才出现)
首先我们拿到一张图片，将图片分为若干个格子，如下图所示：

我们要在9个格子中去寻找我们要检测的目标，判断图片中的目标，我们需要的是判断每个格子中有没有目标§，以及目标的位置。目标的位置用起点（x,y）宽高（w,h）表示，以及该目标属于哪一个类别（假设有三类,c1,c2,c3）。于是对于每一个格子 y=[p,x,y,w,h,c1,c2,c3] 这样一个8维向量，对于整张图片Y的维度就会变成338。这个维度是不是跟我们之前学到的特征层的维度类似，这里也就解释了为什么能用卷积代替滑动窗口，且在上文中最后得到的结果为884了。
一张图片不用跑九次，只需要跑一次就可以完成。
那么图片中红色的框就是Bounding Box（边界框）了。于是有遇到了新的问题
，对于一张标好的图片，改变图片大小了，[x,y,w,h] 不就变了吗。于是我们将图片分成九个网格之后，约定好每个格子的左上角为（0,0） 右下角为（1,1）。目标物体的中心点落在那个网格里，就用那个网格进行编码。

于是的上面（x,y） 变成了在该网格中，边界框的中心点的坐标，，(w,h) 变成了边框所占网格的比例，x,y 不能超出每个网格，所以 0

2.交并比（IoU）

对于图像分类网络，评价标准有准确率，混淆矩阵等。对于目标检测来说,检测，交并比（intersection over union）是用来检测目标检测定位准确度的指标，如下图所示：

粉红色是真实框，蓝色是网络得到的预测框，两个框的交集橙色区域占两个矩形框的比例。如下图所示:

显而易见，交并比的值是小于1，一般Iou>=0.5 就好了，对目标要求高的话也可以设置到0.7左右。

3. 非极大值抑制（NMS）

在介绍NMS前，我们先来了解一个概念，置信度，用于判断边界框中的物体是属于正样本（物体）还是负样本（背景），也就是上文编码目标检测y_label中的p。在目标检测过程中，对同一个物体会产生不同大小的边界框，假设p的阈值设置为0.5，产生的边界框如下图所示：

可以从图中看出置信度最高位0.9，于是我们选取0.9为我们的输出结果，然后以0.9的边界框为基础，计算IoU, 将IoU结果达到阈值的框给去除掉，这样就只剩下一个边界框了。这就是非极大值抑制~

4.Anchor Boxes

对于上面所讲解的 ，都是检测没有重叠对象的目标，那么如果两个目标落在用一个格子里（如图）:

行人和汽车有所重叠，那么如何检测呢。于是就引入了Anchor Boxes。以第八个格子为中心，生成两个Anchor Box:

于是对于目标检测中的对于每个网格的y 将会变成
y=[p_1,x_1,y_1,w_1,h_1,c1_1,c2_1,c3_1 p_2,x_2,y_2,w_2,h_2,c1_2,c2_2,c3_2]
当检测到上图中的行人时，会使用Anchor box 1，汽车会使用到Anchor box2。
当网格点中既有车又有行人的时候，y的所以项都有意义，当网页点只有一个目标时，只关注目标对应的参数，其他的参数我们就不用关注了
在真正的目标检测过程中，对于每个网格点会设置更多的大小不一的Anchor Box 去检测不用大小的目标，与之的对应y维度也会随之增加。这就是Anchor Box~.

总结

目标检测的大致流程就是，先对数据样本进行画框框标注，输入网络前，先对数据进行编码，训练过程就是回归Anchor Boxes，识别分类的过程，对于同一个目标产生了不同的候选框，于是就采用非极大值抑制，过滤掉多余的框。这就是目标检测。
听起来是不是没那么难，但是写起代码来是真的难，后续会从github上寻找代码，用迁移学习的方法实验目标检测~，欢迎关注

参考

本篇博客主要是学习完吴恩达深度学习目标检测章节的总结，素材大多来自于视频。