R-CNN史上最全讲解

一：初识R-CNN

R-CNN系列论文（R-CNN,fast-RCNN,faster-RCNN）是使用深度学习进行物体检测的鼻祖论文，其中fast-RCNN 以及faster-RCNN都是沿袭R-CNN的思路。

R-CNN全称region with CNN features，其实它的名字就是一个很好的解释。用CNN提取出Region Proposals中的featues，然后进行SVM分类与bbox的回归。

[网络结构]

接下来我从 训练阶段 和 测试阶段 分别讲解R-CNN中的核心思路。

二：训练步骤

1.RP的确定

首先介绍一下Selective Search算法，训练过程中用于从输入图像中搜索出2000个Region Proposal。Selective Search算法主要步骤：

• 使用一种过分割手段，将图像分割成小区域 (1k~2k 个)
• 计算所有邻近区域之间的相似性，包括颜色、纹理、尺度等
• 将相似度比较高的区域合并到一起
• 计算合并区域和临近区域的相似度
• 重复3、4过程，直到整个图片变成一个区域

在每次迭代中，形成更大的区域并将其添加到区域提议列表中。这种自下而上的方式可以创建从小到大的不同scale的Region Proposal，如图所示:

2.模型pre-training

在实际测试的时候，模型需要通过CNN提取出RP中的特征，用于后面的分类与回归。所以，如何训练好CNN成为重中之重。

由于物体标签训练数据少，如果要直接采用随机初始化CNN参数的方法是不足以从零开始训练出一个好的CNN模型。基于此，采用有监督的预训练，使用一个大的数据集（ImageNet ILSVC 2012）来训练AlexNet，得到一个1000分类的预训练（Pre-trained）模型。

3.Fine-Tunning

因为R-CNN模型实际测试时，是通过CNN对VOC测试集中每张输入图像上搜索到的2000个Region Proposal提取特征的。而RP大小都不相同，且AlexNet要求输入图像大小是227×227，所以需要对RP进行resize操作，将它们变形为227×227。变形之前，我们先在候选框周围加上16的padding,再进行各向异性缩放。 这种形变使得mAp提高了3到5个百分点。

而原CNN模型针对ImageNet数据集且无变形的图像来提取特征，现在却是针对VOC检测数据集且变形的图像来提取特征。所以，为了让我们的CNN适应新的任务（即检测任务）和新的领域（变形后的推荐窗口），需要对CNN做特定领域的参数调优，也就是fine-tunning。用的是从每张VOC训练图像中搜索到的Region Proposal进行微调的。

( 备注：还有一个原因，如果不针对特定任务进行fine-tuning，而是把CNN当做特征提取器，卷积层所学到的特征其实就是基础的共享特征提取层，就类似于SIFT算法一样，可以用于提取各种图片的特征，而f6、f7所学习到的特征是用于针对特定任务的特征。打个比方：对于人脸性别识别来说，一个CNN模型前面的卷积层所学习到的特征就类似于学习人脸共性特征，然后全连接层所学习的特征就是针对性别分类的特征了）

首先对 PASCAL VOC数据集 进行Selective Search，搜索到2000个Region Proposal对Pre-trained模型进行fine-tuning。将原来预训练模型最后的1000-way的全连接层（分类层）换成21-way的分类层（20类物体+背景），然后计算每个region proposal和ground truth 的IoU，对于IoU>0.5的region proposal被视为正样本，否则为负样本（即背景）。另外，由于对于一张图片的多有候选区域来说，负样本是远远大于正样本数，所以需要将正样本进行上采样来保证样本分布均衡。在每次迭代的过程中，选择层次采样，每个mini-batch中采样两张图像，从中随机选取32个正样本和96个负样本组成一个mini-batch（128，正负比：1：3）。我们使用0.001的学习率和SGD来进行训练。

4.提取并保存RP的特征向量

提取特征的CNN网络经过了预训练和微调后不再训练，就固定不变了，只单纯的作为一个提特征的工具了。虽然文中训练了CNN网络对region proposal进行分类，但是实际中，这个CNN的作用只是提取每个region proposal的feature。
所以，我们输入VOC训练数据集，SS搜索出2000个RP后输入进CNN进行前向传播，然后保存AlexNet的FC7层4096维的features，以供后续的SVM分类使用。

5.SVM的训练

作者使用SVM进行分类。对于每一类都会训练一个SVM分类器，所以共有N（21）个分类器，我们来看一下是如何训练和使用SVM分类器的。

在SVM分类过程中，IOU<0.3被作为负例，ground-truth（即完全框住了物体，默认IOU＞0.7时）是正例，其余的全部丢弃。然后SVM分类器也会输出一个预测的labels，然后用labels和truth labels比较，计算出loss，然后训练SVM。

其中，有一个细节，就是SVM由于是小样本训练，所以会存在负样本远多于正样本的情况。针对这种情况，作者使用了hard negative mining方法（初始时用所有样本训练，但是这样负样本可能远多王正样本，经过一轮训练后将score最高即最容易被误判的负样本加入新的样本训练集，进行训练，重复以上步骤至达到停止条件比如分类器性能不再提升），使得SVM适用于小样本训练，在样本不平衡时依然可以做到不会发生过拟合。

作者为什么要Hard Negatives？因为，负样本数目巨大，其中Pos样本数目占的比例特别低，负样本太多，直接导致优化过程很慢，因为很多负样本远离分界面对于优化几乎没有帮助（SVM分类最大间隔，只有支持向量比较有用）。Data-minig的作用就是去掉那些对优化作用很小的Easy-examples保留靠近分界面的Hard-examples。

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前方核能：

有人会好奇为什么要专门使用SVM分类，而不是CNN最后的21层softmax层分类？这里我来重点讲解一下，仅个人理解：
细心的人会发现，之前在训练CNN提取特征时，设置的IOU是0.5以上为正样本，小于0.5的是负样本。但在SVM分类中，只有bbox完全包围了物体（也可以理解为IOU＞0.7时）才是正样本，IOU小于0.3的是负样本。前者是大样本训练，后者是小样本训练。对于CNN的训练，需要大量的数据，不然容易过拟合，所以设置的阈值较低，比如一个bounding box可能只包含物体的一部分，那么我也把它标注为正样本，用于训练cnn；然而svm训练的时候，因为svm适用于少样本训练，所以对于训练样本数据的IOU要求比较严格，我们只有当bounding box把整个物体都包含进去了（IOU＞0.7），我们才把它标注为物体类别，IOU＜0.3的标注为负样本，然后训练svm。就因为这个特点，只能用低IOU来softmax分类，那么很可能导致最后的bbox框位置不准确（如果bbox和GT差距太大，通过线性回归会无法收敛），同时类识别精度也不高，根据实验MAP会下降几个百分点。如果硬要提高IOU，又会导致训练数据样本太少，发生过拟合。这就是真正的"鱼和熊掌不可得兼"啊，其实罪魁祸首就是Small VOC的训练量太少了，限制了太多优化操作。故最后选择了SVM完成分类，CNN只用来提取特征。

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这样做后，精度也会有很大的提升，同时对于后面的bbox回归准确度也提高了。

6.bbox regression的训练

与GT的IOU＞0.6的RP作为正样本，做回归训练。具体做法请看這篇文章


其实就是训练 $d$ 矩阵向 $t$ 矩阵靠齐的过程。

三：测试步骤

讲解完了R-CNN的训练过程，现在我们来讲一讲测试过程。我分以下五个步骤依次进行讲解：

step1:Region proposal的确定

VOC测试图像输入后，利用SS搜索方法，根据相似度从大到小排序，筛选出2000个region proposals 。

step2:RP的Features提取

将RP通过resize成227×227，然后分别输入进CNN特征提取网络，得到了2000个4096维features。

step3:SVM分类

将(2000，4096)维矩阵输入进SVM分类器中，最终得到(2000，21)矩阵。每一行的21个列值，分别代表了这个RP属于每一个类的可能性。通过提前设置好的backgroud阈值 $\alpha$ 和所属于类的阈值 $\beta$，筛选出满足条件的 $m$ 个RP区域。

step4:BoundingBox-Regression

将(2000，4096)维矩阵输入进 (4096,4)的回归矩阵 $d$ 中，最后输出(2000，4)偏移矩阵。代表RP中心点的位置偏移 和 bbox的尺寸变换。
将SVM筛选出的 $m$ 个RP区域对应的特征向量，组成(m，2000)矩阵 代入 (2000,4)的回归矩阵 $d$ 中，最后输出(m，4)偏移矩阵。

step5:Non-maximum suppression处理

只画出SVM筛选出的 $m$ 个RP区域的修正后的检测框。考虑到bbox的大量累赘重叠，进行非极大值抑制(NMS)，得到最终检测结果。

附上每一步处理的示例图，如下：

四：R-CNN存在的问题

• 训练时间长：主要原因是分阶段多次训练，而且对于每个region proposal都要单独计算一次feature map，导致整体的时间变长。
• 占用空间大：每个region proposal的feature map都要写入硬盘中保存，以供后续的步骤使用。
• multi-stage：文章中提出的模型包括多个模块，每个模块都是相互独立的，训练也是分开的。这会导致精度不高，因为整体没有一个训练联动性，都是不共享分割训练的，自然最重要的CNN特征提取也不会做的太好。
• 测试时间长，由于不共享计算，所以对于test image，也要为每个proposal单独计算一次feature map，因此测试时间也很长。

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  至此我对R-CNN全部流程与细节，进行了深度讲解，希望对大家有所帮助，有不懂的地方或者建议，欢迎大家在下方留言评论。

我是努力在CV泥潭中摸爬滚打的江南咸鱼，我们一起努力，不留遗憾！