【论文笔记】【目标检测】Fast RCNN详解

Fast RCNN是对RCNN论文的改进。

 

RCNN简介：

(1)image input；
(2)利用selective search 算法在图像中从上到下提取2000个左右的Region Proposal；
(3)将每个Region Proposal缩放(warp)成227*227的大小并输入到CNN，将CNN的fc7层的输出作为特征；
(4)将每个Region Proposal提取的CNN特征输入到SVM进行分类；
(5)对于SVM分好类的Region Proposal做边框回归，用Bounding box回归值校正原来的建议窗口，生成预测窗口坐标.
缺陷:
(1) 训练分为多个阶段，步骤繁琐：微调网络+训练SVM+训练边框回归器；
(2) 训练耗时，占用磁盘空间大；5000张图像产生几百G的特征文件；
(3) 速度慢：使用GPU，VGG16模型处理一张图像需要47s；
(4) 测试速度慢：每个候选区域需要运行整个前向CNN计算；
(5) SVM和回归是事后操作，在SVM和回归过程中CNN特征没有被学习更新.

相比于RCNN， fast rcnn解决的问题在于：

（1）在最后一个卷积后加入了ROI pooling layer，这使输入的图片可以多尺度，且共享了计算。

（2）RCNN在训练过程时，直接对bounding-box进行回归训练，不能在卷积层进行更新。fast rcnn在卷积上就对位置进行了回归。

fast rcnn的贡献点：

（1）提高了mAP

（2）训练了单阶段的多任务损失

（3）训练更新了所有网络层

（4）不再要求存储特征

 

网络结构

总体结构：图片送入卷积backbone做特征提取得到feature map。feature map送入ROI pooling用于得到定长的特征向量（ROI featrue vector），每个特征向量被送入到两个兄弟输出层：一个完成k+1分类（k个类别+1个背景），一个用于完成bbox回归。

下面详细解释各个模块：

（1）ROI pooling

ROI pooling的做法来源于spp net，解决的是输入特征图的尺度不一问题。图为spp的做法。通过使用4*4、2*2、1*1的网格对特征图做池化，可以得到4*4+2*2+1*1的定长向量，这就解决了固定输入图片尺度的resize费时、影响图片尺度、改变图片长宽比例的问题。

ROI通过设置超参HxW用于表示ROI做池化块数。本文中使用矩形对特征图做RoI池化，用四个值（r, c, h, w）表示矩形，(r, c)表示左上角，(h, w)表示右下角。RoI使用最大池化对每个子窗口进行池化。子窗口的大小为h/H x w/W。RoI在每个特征图通道独立应用池化。相比于spp，RoI的区别是只有一个金字塔层。

（2）预训练网络的使用

fast rcnn中用了3个预训练网络（3个backbone），每个包含了5个最大池化层，5到13个卷积层。其他改变：

a. 最后一个最大池化层由RoI Pooling替换，设置了参数H和W（vgg16中H=W=7）。

b. 最后的全连接层和softmax被替换成2个兄弟层，分别完成K+1类的softmax分类，和bbox的回归。

c. 网络的数据输入被调整为，图片的列表和图片对应RoI的列表。

（3）检测模块微调

spp中有个很大的问题，spp层训练困难，原因是每个RoI都有很大的感知域，大到覆盖了整个输入图像。

改进方法是使用SGD，首先采样N个图片，再在每个图片采样R/N个ROIs。比如，N=2，R=128，可以比从128个图片中采样1个RoI快64倍。通过实验观察发现，没有不收敛。

（4）多任务损失

fast rcnn包含两个输出层。第一个，每个RoI输出离散的分布，p=(p0, p1, ..., pk)，包括了K+1类，p由全连接层+softmax计算得来。第二个输出做bbox(x, y ,w, h)的回归。

损失函数如下：

 

(,,,)=(,)+[⩾1](,)

损失函数包含了分类损失和回归损失。

分类损失:

(,)=− 

回归损失：

 

其中，

是用于平衡两个任务的超参，这里设置为1，因为groud-truth regression目标被标准化。

（5）小批量采样

按上面的采样方法，N=2，R=128，从1张图片中取64个RoI。取25%的RoI和目标计算IoU，要求IoU>0.5。

（6）RoI的反向传播

整个fast rcnn在计算前向时，图片都是独立的（这也导致了不能batch检测）。计算反向传播和普通池化层计算有些区别。

因为一张图片会产生很多roi，这写roi可能有交集，如上图，那么在左边x23位置，如果两次池化都是最大值，那么这个位置的梯度就由n次池化做累加。

（7）SGD超参数

全连接层使用softmax进行分类，bbox回归使用0均值高斯分布进行初始化，标准差分别为0.01和0.001。

（8）SVD分解

把全连接层由uv的计算量改为t（u+v)，相当于中间加一层。

实验

1. fast rcnn的主要检测流程：

(1). 输入一张待检测图像；

(2). 提取候选区域：利用Selective Search算法在输入图像中提取出候选区域，并把这些候选区域按照空间位置关系映射到最后的卷积特征层；

(3). 区域归一化：对于卷积特征层上的每个候选区域进行RoI Pooling操作，得到固定维度的特征；

(4). 分类与回归：将提取到的特征输入全连接层，然后用Softmax进行分类，对候选区域的位置进行回归。