【原创】Fast R-CNN详解

Fast R-CNN的改进

Fast R-CNN相较于R-CNN来说改进了以下三点：
1.基本实现了模型的end-to-end（除了还是需要用Selctive Search来生成2K个候选区域外）。
2.不在将每个候选区域放入CNN中计算特征，而是直接输入原图得到原图的全部特征（只进行一次CNN）。
3.将候选框的回归和分类问题同时进行输出，而不需要分别训练SVM和回归器。

Fast R-CNN的基本框架

Fast-RCNN依旧基于VGG16，首先输入的图片resize为224*224后放入CNN网络提取特征（5个卷积层和2个降采样层）

VGG16网络结构：

作者在第五个卷积层提取特征，并加上Selective Search产生的2K个ROI，通过ROI pooling层将这些ROI调整为固定维度，再通过两个output都是4096的全连接层后，将输出分为分类和回归两块，在分类模块中，输出通过一个output为21的全连接层（21表示20个类和一个背景）和一个softmax层，在回归模块中，输出通过一个output为48的全连接层（48表示各个类别region proposal的四个坐标）和SmoothL1Loss层。

问题

1.在RCNN中我们使用Selective Search在原图中获取ROI，并通过CNN提取特征，在Fast R-CNN中我们先将原图通过CNN提取特征，那么如何在feature map中获取ROI的对应区域?

2.如何将不同维度的ROI转换为相同维度？

解答1

$x^{\prime }=\lfloor x/S\rfloor +1$,其中⌊⌋为向下取整符号，$x^{\prime }$为feature map中ROI的横坐标，x为原图中ROI的横坐标，S是convs中所有的strides的乘积，通过如上转换可以在feature map中找到ROI的坐标位置。
图片来源

比如在上图中ZF-5中，S=222*2=16，对于Overfeat-5/7就是S=12，需要注意的是Strides包含了池化、卷积的stride。

因此我们输入原图从而得到了ROI后，可以得到每个ROI的四个点，再根据公式：
左、上点：
右、下点：
就可以得到在feature map中ROI的位置。

解答2

在我们得到feature map中ROI位置后，我们再经过ROI pooling层将特征转变为固定大小。
Fast R-CNN中的ROI pooling层将输入的feature map中大小为$(h,w)$的ROI分割成$H\ast W$个大小为$(h/H,w/W)$的sub-windows，然后对每个sub-windows进行max-pooling操作，于是不论输入的ROI大小为多少，经过ROI pooling层后，其大小将变成$H\ast W$（文中作者的H和W都设为7）。此时可以将ROI的特征输出全连接层。

全连接层

我们在得到固定大小的ROI的特征输出后将其放入全连接层进行计算，这里作者不再使用SVM和回归器作为分类和回归region proposal的方式，而是将regressor放进网络一起训练，每个类别对应一个regressor，同时用softmax代替原来的SVM分类器，从而进行end-to-end的训练（个人认为end-to-end的训练有助于卷积层能力和回归于分类层能力相互提高）。

损失函数分为分类的损失函数和bbox回归的损失函数，回归损失函数：

回归的输出是一个四元组，分别为$t_x^u、t_y^u、t_w^u、t_h^u$，其中u表示类别，$v_i$表示ground true。

最后将分类的loss和回归的loss整合在一起，作者将$\lambda$设为1。

训练

在fine-tuning中，每个min-batch都选取随机两张图像和128个region proposal，其中每个图像都有64个ROI，然后从这些ROI中挑选约25%的ROI，这些ROI和ground truth的IOU值都大于0.5，剩余的ROI都在区间[0.1,0.5)中采样，并将u标记为0（背景）。另外只采用随机水平翻转的方式增加数据集（50%概率水平翻转）。

图片来源

测试

前面和训练差不多，测试中对每个类型采用NMS算法，得到最终结果。

SVD加速

详见下一篇博文（占个坑）

总结

Fast R-CNN在很大程度上实现了end-to-end（除了生成2K个候选区域的Selective Search算法），并通过只进行一次卷积运算、使用SVD加速全连接层等大大提高了运算效率，但同时Selective Search算法依旧使得Fast R-CNN的运行时间很长，这也是后续Faster RCNN的改进方向之一。