【原理篇】一文读懂Mask RCNN

Mask RCNN 何凯明大神的经典论文之一，是一个实例分割算法，正如文中所说，Mask RCNN是一个简单、灵活、通用的框架，该框架主要作用是实例分割，目标检测，以及人的关键点检测。Mask RCNN是基于Faster RCNN的一种改进，增加一个FCN的分支。

1、Mask RCNN 网络架构

Mask RCNN就是Faster RCNN+FCN组成的，Faster RCNN完成分类和边框预测，FCN在筛选出的ROI中进行图像分割。损失函数由三部分组成：

Mask RCNN算法流程：

1.  图像预处理操作，或者预处理后的图片；
2.  输入到一个预训练好的神经网络中（ResNet）获得对应的feature map;
3.  通过anchors对这个feature map中的每一点设定预定个的ROI，从而获得多个候选ROI;
4.  将这些候选的ROI送入RPN网络进行二值分类（前景或背景）和BB回归，过滤掉一部分候选的ROI；
5. 对这些剩下的ROI进行ROIAlign操作（即先将原图和feature map的pixel对应起来，然后将feature map和固定的feature对应起来）；
6. 对这些ROI进行分类（N类别分类）、BB回归和MASK生成（在每一个ROI里面进行FCN操作）。

也就是说，Mask RCNN相对于Faster RCNN主要是两点改进，分别是FCN和ROI Align。

2、Faster RCNN网络

参考【原理篇】一文读懂Faster RCNN_Eyesleft_being的博客-CSDN博客 

3、 FCN

FCN(Fully Convolutional Networks)全卷积网络是图像语义分割的一个经典网络，属于挖坑的，从此就有无穷无尽的人去填这个坑。

我们知道，CNN如AlexNet, ResNet等都是分类网络，都是给一个图像提取特征然后分类，很自然的可以想到，如果对图像的每一个像素点分类，不就可以进行图像分割了吗。实际上，FCN就是这样干的，每一个像素都分类为前景或者背景，就完成了图像分割。

上图是FCN的整体网络架构图，从图中可以看出，所谓全卷积，就是不要全连接而已，因为网络要预测每一个像素的类别，最终的输出一定要是二维的才对，也就是heatmap图（对比CNN里的feature map）。实际上，完全可以把heatmap当作feature map来理解。

众所周知，卷积是一个下采样操作（卷积、池化）来提取抽象特征，在FCN中输入图像是H*W大小，经过一系列池化操作后最终变为H/32*W/32。

这样，同一个网络中，输入图像的尺寸就可以是任意的，最终只是缩放了多少倍而已。

现在的问题是，得到了抽象特征heatmap，比如要分类为1000类，heatmap的特征图大小就是H/32*W/32*1000。最终是要还原为H*W*1000才能预测输出的，也就是说在得到heatmap后，还需要上采样还原为H*W大小。

上采样

上采样就是增大图像分辨率，下采样就是缩小图像分辨率。在传统图像处理中，一般用插值算法做上采样，比如最近邻插值、双线性插值等。试想一下，如果采用插值的办法上采样，训练出的网络实际上heatmap就是概率图，每个特征点对应原图感受野的类别，然后插值算出来的概率，都是大概近似而已。这样得到的分割效果明显是不精确的。

 转置卷积

可以联想到，如果能够训练参数，搞一个形式上类似反向卷积的东西，得到的网络应该就比较准确的，这个就是转置卷积。

先看看卷积操作，对于一个输入大小的图像，卷积核大小，padding=0, stride=1，将得到的输出，是多个像素映射为一个像素的函数，输出尺寸对应关系为：

其中，n为图像尺寸，p为padding，f为卷积核大小，s为stride 

这一卷积过程可以通过变形表示为矩阵形式：

C为卷积核，x为图片。在这个例子中，输入为4*4，卷积核为3*3，输出为2*2，可以理解为x是16*1， C是4*16， 则y为4*1。那么从原理上，只要找一个尺寸16*4的矩阵，就能把4*1的向量映射为16*1，然后重新排列就行了。这是一个从少数对应多数的函数关系。

注意这里的转置只是一个形式上的转置操作，为了恢复到原始的尺寸，不是真正的求逆和转置操作。我们知道卷积其实是一种稀疏连接和参数共享，所以排列为矩阵后有很多零元素，转置也是一样，具有很多零元素，史迹上，转置卷积就是先给原图填充很多零元素，再进行正常卷积，就达到了上采样的效果。当然这里以少数到多数的映射是不能求解析解的，只能学习。

转置卷积的输出输入尺寸对应关系为：

现在再来看FCN的详细网络结构

 网络过程归结如下：

1. 图像H*W*3经过五层卷积提取抽象特征，五层分别下采样为1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32；
2. 把全连接层变为卷积层，得到heatmap；
3. 进行Transpose Convolution上采样层，这样可以上采样为2x，4x等与之前的下采样的特征进行特征融合；
4. 输出最终预测结果H*W*class_num。

4、ROI Align

ROI Align是对应于ROI Pooling的优化。为了给所有的ROI获得同样尺寸的feature map，需要ROI池化，但在ROI池化中，非整数要进行量化操作（取整），这样会造成一定的误差。我们知道，feature map中的一个像素点对应于原图中较大的一块感受野，所以在feature map上的偏差，反映到原图中，将是比较大的误差，ROI Align就是用线性插值的方法代替了量化，从而解决了这个问题，提升了性能。

5、Mask RCNN使用测试

6、Mask RCNN 训练