Faster R-CNN 详解

Faster R-CNN: Towards Real-Time Object Detection with Region Proposal Networks

论文链接 1  论文链接 2

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Faster R-CNN 是一个 end-to-end 的目标检测算法。相比 Fast R-CNN 有更高的精度和速度。其 主要思想有以下 2 点：
（1）提出了 Region Proposal Network【RPN】，替代了传统的生成候选框的方法。
（2）将 Region Proposal Network【RPN】与检测网络【Fast R-CNN】共享卷积层，大幅提高网络的检测速度。

一、详解 RPN

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（一）网络结构

图 1：RPN 网络结构

  Faster R-CNN 相比 Fast R-CNN 的最大改进就在于提出了 RPN 网络。所以 Faster R-CNN 可以看做：RPN + Fast R-CNN。RPN 网络使用卷积神经网络提取候选框，替代了传统的基于底层视觉信息的生成候选框的方法，比如 selective search、edge boxes。在速度上和精度上都有了显著的提高。

  RPN 网络的输入： 经过 CNN 后生成的 feature map
  RPN 网络的输出： 分类【objectness 置信度】+ 回归【所有 proposals 的左上角坐标（x, y），宽高（w, h）】

  因为我们的最终目标是要将 RPN 和 Fast R-CNN 共享卷积。对于共享部分的网络的输出是一个 feature map。所以对于 RPN 网络非共享的第一层。我们使用一个 $n\times n$ 的卷积核，对共享部分生成的 feature map 进行卷积操作，并将最后的维度缩减至低维（ZF 256 维，VGG 512 维）。

  然后使用 两个并列的全连接层（使用 $1\times 1$ 卷积实现），分别输出分类和回归的结果。其中分类的分支用来判断是否是一个物体（[0, 1]），即判断候选框中的 objectness（对象性）。或者说是判断候选框中的物体是背景还是前景。回归的分支用于最小化候选框与 ground truth 的差值。其中 分类的输出通道数为 2k，回归的输出通道数为 4k（k 为一个 feature map 中的点生成的 anchor 的个数）。网络的结构见图 1。

（二）Anchor

  对于 RPN 网络，最重要的一个概念就是 anchor。那么 什么是 anchor？

图 2：Anchor 的定义

  在引入 Anchor 之前，我们需要思考一个问题。我们 如何生成一系列大小各不相同的 region proposals 呢？ 其实可以这样，我们可以 先在原始图片中生成各种大小，长宽比例的窗口。对于与 ground truth 有高重叠的窗口，我们对其进行修正。对于那些与 ground truth 重叠很低的窗口，我们不进行修正。最后筛选出于 ground truth 重叠很高的窗口，就得到了最后的 region proposals。

  那么如何生成各种大小，长宽比例的窗口呢？ 记生成窗口的边长（正方形）为 scale，窗口的长宽比为 aspect ratio。记它们的个数为 $N_{scale},N_{aspectratio}$。那么我们就可以 先生成一个正方形，然后再将长宽缩放到对应的比例。即为生成的窗口。那么一次，我们能生成 $N_{scale}\times N_{aspectratio}$ 个窗口。

  我们 将 feature map 上的点，映射到原始图片上的一个区域。以这个区域的中心点生成如上我们所说的窗口，那么这个窗口，就叫做 anchor。设 feature map 的长和宽分别为 w 和 h，那么生成的 anchor 的个数为 $w\times h\times N_{scale}\times N_{aspectratio}$

  Faster R-CNN 中的 anchor 有 3 种不同的尺度 $\{128\times 128,256\times 256,512\times 512\}$ 3 种形状也就是不同的长宽比 $W:H=\{1:1,1:2,2:1\}$，这样 feature map 中的点就可以组合出来 9 个不同形状不同尺度的 Anchor Box。（见图 2）。我们依次将 feature map 上的点映射到原图，生成 anchor，那么这个 anchor，几乎可以覆盖整个图片中的各种位置和大小。

  同时，anchor 具有平移不变性，我们可以这样理解，对于一幅图片中要定位的物体，无论在图片的哪个地方，我们都能定位出来。所以对于每个 feature map 上的点，我们都生成固定尺度、形状的 anchor。这也使 anchor 具有 Translation-Invariant（平移不变性）。

（三）Loss 设计

  对于 RPN 网络，我们是要进行训练的，那么进行训练一定需要标签。这个标签，我们怎么定义呢？对于正样本我们将类别标签标记为 1，负样本我们将类别标签标记为 0，其余的 anchor 我们不参与训练。候选框的坐标还使用原 anchor 的坐标。我们下来看 正负样本的定义。

  正样本：（1）与 ground truth IOU 最高的那些 anchor。（2）与 ground truth IOU > 0.7 的 anchor
  负样本：与 ground truth IOU < 0.3 的那些 anchor

  RPN 网络有 2 部分输出，分类和回归，所以我们的损失函数的要兼顾分类和回归。损失函数见如下式子：

$$L(\{p_i\},\{t_i\})=\frac{1}{N_{cls}}\sum _i{L}_{cls}(p_i,p_i^{\ast })+\lambda \frac{1}{N_{reg}}\sum _i{p}_i^{\ast }{L}_{reg}(t_i,t_i^{\ast })$$

  $i$ 代表在当前 batch 中的一个样本。$p_i$ 代表 anchor 中的物体是前景的概率。$p_i^{\ast }$ 代表 ground truth，对于正例用 1 表示，负例用 0 表示。（正负例的定义见上面的内容）。$t_i$ 是一个长度为 4 的向量。$t_i^{\ast }$ 为正样本的 Bounding Box。$L_{cls}$ 是交叉熵损失，用于判断是否为物体。$L_{reg}$ 是 smooth L1 损失（图像见图3），之所以不使用 $L_2$ 损失，是因为当预测的偏移值与真值差距较大时，使用 $L_2$ 损失的导数太大，模型容易发散，不收敛。因此在大于 1 时采用了导数较小的函数。下面是三种常见的损失。

  分别对三个式子求偏导：

图 3：smooth $L_1$ Loss 的图像

  $p_i^{\ast }{L}_{reg}$ 可以理解为，只有当生成的 anchor 与 ground truth 的距离够近，也就时是标签是正样本时，我们才回归此 anchor 的坐标。对此时的 anchor 的坐标与 ground truth 再进行拉近。否则，当标签为负样本时，也就时 anchor 与 ground truth 过远。我们不再对坐标进行调整。其中 $t$ 向量的定义如下：

$$t_x=(x-x_a)/w_a$$

$$t_y=(y-y_a)/h_a$$

$$t_w=log(w/w_a)$$

$$t_h=log(h/h_a)$$

  $t^{\ast }$ 向量的定义如下：
$$t_x^{\ast }=(x^{\ast }-x_a)/w_a$$

$$t_y^{\ast }=(y^{\ast }-y_a)/h_a$$

$$t_w^{\ast }=log(w^{\ast }/w_a)$$

$$t_h^{\ast }=log(h^{\ast }/h_a)$$

  $x$，$x_a$，$x^{\ast }$ 分别代表：预测后的 box 的 x 坐标值、anchor box 的 x 坐标值、ground truth box 的 x 坐标值。（y，w，h 的定义同理）

（四）训练 RPN

  每个 batch 都是由多个正样本与多个负样本组合而成。其中正负样本的比例为 $1:1$。我们使用的 batch size = 256，也就是对于每个 batch 我们输入 128 个正样本和 128 个负样本。当正样本数量没有达到 128 时，我们使用负样本填充。

  与检测网络部分的共享层，在 ImageNet 数据集上进行预训练。其他层使用均值为 0，方差为 0.01 的高斯分布初始化。然后使用我们生成的 anchor 样本进行 fine turn。使用 SGD 优化器，学习率为 0.001 训练 60k 个 mini-batch，然后使用学习率为 0.0001 训练 20k 个 mini-batch，momentum = 0.9，weight decay = 0.0005。

（五）共享卷积层

图 4：共享卷积层后的网络结构

  因为 RPN 网络的前半部分和检测网络的前半部分的结构相同。我们可以将 RPN 网络和检测网络相同的网络结构抽取出来进行共享（如图 4）。那么我们如何进行训练呢？我们可以使用如下 4 个步骤实现卷积层的共享并训练：

（1）使用 ImageNet 预训练 RPN 网络的共享层，然后在生成的 anchor 上 fine turn。

（2）定义一个单独的 Fast R-CNN，先在 ImageNet 进行预训练，然后在第 1 步生成的 region propoals 上 fine turn。

（3）使用第 2 步中微调后的 Fast R-CNN 网络重新初始化 RPN 网络，固定共享卷积层【即设置学习率为 0，不更新】，仅微调 RPN 网络独有的层【此时共享卷积层】

（4）固定第 3 步中共享卷积层，利用第 3 步中得到的 region proposals，仅微调 Fast R-CNN 独有的层，至此形成统一网络如上图 4 所示。

  作者通过实验表明：共享卷积层比不共享卷积层有更高的 mAP 值。这说明当检测网络的参数用于 RPN 网络时，生成的 region proposals 的质量有很大的提高。

二、更多细节

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  anchor 使用 3 个尺度 $\{128,256,512\}$，3 个长宽比 $\{1:1,1:2,2:1\}$，生成 9 种 anchor。训练和测试时 Fast R-CNN 使用的都是单尺度，将短边缩放到 600 pixel。

  对于 anchor 生成到图片边界之外的情况，我们需要进行特殊处理。在训练的时候我们需要忽略所有的跨边界的 anchor。对于 1000 x 600 pixel 的图像，我们大约生成 20k 个 anchor（≈ 60 x 40 x 9）。经过筛掉跨边界的 anchor 后，剩下的 anchor 数量大约为 6k。如果在训练中不忽略跨界 anchor，它们就会在目标中引入大型的、难以纠正的误差项，训练就不会收敛。在测试时将整个测试图片输入 RPN 网络，对于跨边界的 anchor 我们裁剪到图像的边界。

  无论是训练还是测试，在经过 RPN 网络后使用阈值为 0.7 的 NMS 去除重复的 region（剩下大约 2k 个 region），然后 挑出 top-N 个 region proposals 将其送入之后的网络进行检测。 注意：NMS 的使用并不会降低精度，可以减少更多的误报的 region，对最后的检测结果有提高。

参考链接：
https://papers.nips.cc/paper/5638-faster-r-cnn-towards-real-time-object-detection-with-region-proposal-networks.pdf
https://blog.csdn.net/wopawn/article/details/52223282
https://www.jianshu.com/p/19483787fa24