深度学习笔记------Faster_RCNN
目录
1 Faster_rcnn网络结构
2 Faster_RCNN的输入
3 RPN (Region Proposal Networks)
4 ROIPooling
5 分类 （Classification）
1 Faster_rcnn网络结构
Faster RCNN是两阶段的目标检测算法，包括阶段一的Region proposal以及阶段二的bounding box回归和分类。用一张图来直观展示Faster RCNN的整个流程：
- Conv layers。作为一种CNN网络目标检测方法，Faster RCNN首先使用一组基础的conv+relu+pooling层提取image的feature maps。该feature maps被共享用于后续RPN层和全连接层。
- Region Proposal Networks。RPN网络用于生成region proposals。该层通过softmax判断anchors属于positive或者negative，再利用bounding box regression修正anchors获得精确的proposals。
- Roi Pooling。该层收集输入的feature maps和proposals，综合这些信息后提取proposal feature maps，送入后续全连接层判定目标类别。
- Classification。利用proposal feature maps计算proposal的类别，同时再次bounding box regression获得检测框最终的精确位置。
上图可以清晰的看到该网络对于一副任意大小PxQ的图像：
- 首先缩放至固定大小MxN，然后将MxN图像送入网络；
- 而Conv layers中包含了13个conv层+13个relu层+4个pooling层；
- RPN网络首先经过3x3卷积，再分别生成positive anchors和对应bounding box regression偏移量，然后计算出proposals；
- 而Roi Pooling层则利用proposals从feature maps中提取proposal feature送入后续全连接和softmax网络作classification（即分类proposal到底是什么object）。
2 Faster_RCNN的输入
Faster RCNN首先是支持输入任意大小的图片的，比如上图中输入的P*Q，进入网络之前对图片进行了规整化尺度的设定，如可设定图像短边不超过600，图像长边不超过1000，我们可以假定M*N=1000*600（如果图片少于该尺寸，可以边缘补0，即图像会有黑色边缘）。
经过Conv layers，和池化层的作用。图片大小变成(M/16)*(N/16)，即：60*40(1000/16≈60,600/16≈40)；则，Feature Map就是60*40*512-d(注：VGG16是512-d,ZF是256-d)，表示特征图的大小为60*40，数量为512
3 RPN (Region Proposal Networks)
经典的检测方法生成检测框都非常耗时，如OpenCV adaboost使用滑动窗口+图像金字塔生成检测框；或如R-CNN使用SS(Selective Search)方法生成检测框。而Faster RCNN则抛弃了传统的滑动窗口和SS方法，直接使用RPN生成检测框，这也是Faster R-CNN的巨大优势，能极大提升检测框的生成速度。
图 RPN网络结构
上图展示了RPN网络的具体结构。Feature Map进入RPN后，先经过一次3*3的卷积，同样，特征图大小依然是60*40,数量512，这样做的目的应该是进一步集中特征信息，接着看到两个全卷积,即kernel_size=1*1,p=0,stride=1;
可以看到RPN网络实际分为2条线，上面一条通过softmax分类anchors获得positive和negative分类(二分类)，下面一条用于计算对于anchors的bounding box regression偏移量，以获得精确的proposal。
而最后的Proposal层则负责综合positive anchors和对应bounding box regression偏移量获取proposals，同时剔除太小和超出边界的proposals。其实整个网络到了Proposal Layer这里，就完成了相当于目标定位的功能。其实就是一个事先准备和预测一些可能有目标的地方的矩形框。
如果想对anchor的详细生成方法，了解更深，可以参考博文：
Faster RCNN 学习笔记 - 勇者归来 - 博客园
下面分别看下两条支路的工作原理：
参考博文：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/31426458
1）softmax判定positive与negative
一副MxN大小的矩阵送入Faster RCNN网络后，到RPN网络变为(M/16)x(N/16)，不妨设 W=M/16，H=N/16。在进入reshape与softmax之前，先做了1x1卷积，如图9：
经过该卷积的输出图像为WxHx18大小。这也就刚好对应了feature maps每一个点都有9个anchors，同时每个anchors又有可能是positive和negative，所有这些信息都保存WxHx(9*2)大小的矩阵。为何这样做？后面接softmax分类获得positive anchors，也就相当于初步提取了检测目标候选区域box（一般认为目标在positive anchors中）。那么为何要在softmax前后都接一个reshape layer？其实只是为了便于softmax分类，单独“腾空”出来一个维度以便softmax分类，之后再reshape回复原状。
2）bounding box regression原理
下图所示绿色框为飞机的Ground Truth(GT)，红色为提取的positive anchors，即便红色的框被分类器识别为飞机，但是由于红色的框定位不准，这张图相当于没有正确的检测出飞机。所以我们希望采用一种方法对红色的框进行微调，使得positive anchors和GT更加接近。
对于窗口一般使用四维向量 （x,y,w,h） 表示，分别表示窗口的中心点坐标和宽高。对于下图，红色的框A代表原始的positive Anchors，绿色的框G代表目标的GT，我们的目标是寻找一种关系，使得输入原始的anchor A经过映射得到一个跟真实窗口G更接近的回归窗口G'，即：
那么经过何种变换F才能从图10中的anchor A变为G'呢？ 比较简单的思路就是:
观察上面4个公式发现，需要学习的是 
这四个变换。当输入的anchor A与GT相差较小时，可以认为这种变换是一种线性变换， 那么就可以用线性回归来建模对窗口进行微调（注意，只有当anchors A和GT比较接近时，才能使用线性回归模型，否则就是复杂的非线性问题了）。 
在了解bounding box regression后，再回头来看RPN网络第二条线路，如下图。
可以看到其 num_output=36，即经过该卷积输出图像为WxHx36，在caffe blob存储为[1, 4x9, H, W]，这里相当于feature maps每个点都有9个anchors，每个anchors又都有4个用于回归的变换量
3）RPN的工作原理总结
4 ROIPooling
而RoI Pooling层则负责收集proposal，并计算出proposal feature maps，送入后续网络。从下图中可以看到Rol pooling层有2个输入：
- 原始的feature maps
- RPN输出的proposal boxes（大小各不相同）
1）为什么使用RoI Pooling
先来看一个问题：对于传统的CNN（如AlexNet和VGG），当网络训练好后输入的图像尺寸必须是固定值，同时网络输出也是固定大小的vector or matrix。如果输入图像大小不定，这个问题就变得比较麻烦。有2种解决办法：
- 从图像中crop一部分传入网络
- 将图像warp成需要的大小后传入网络
两种办法的示意图如上图，可以看到无论采取那种办法都不好，要么crop后破坏了图像的完整结构，要么warp破坏了图像原始形状信息。
RPN网络生成的proposals的方法：对positive anchors进行bounding box regression，那么这样获得的proposals也是大小形状各不相同，即也存在上述问题。所以Faster R-CNN中提出了RoI Pooling解决这个问题。
2）RoI Pooling是怎么做的
分析之前先来看看RoI Pooling Layer的caffe prototxt的定义：
layer {
name: "roi_pool5"
type: "ROIPooling"
bottom: "conv5_3"
bottom: "rois"
top: "pool5"
roi_pooling_param {
pooled_w: 7
pooled_h: 7
spatial_scale: 0.0625 # 1/16
}
}其中有新参数pooled_w和pooled_h，另外一个参数spatial_scale认真阅读的读者肯定已经知道知道用途。RoI Pooling layer forward过程：
- 由于proposal是对应MxN尺度的，所以首先使用spatial_scale参数将其映射回(M/16)x(N/16)大小的feature map尺度；
- 再将每个proposal对应的feature map区域水平分为 pooled_w*pooled_h 的网格；
- 对网格的每一份都进行max pooling处理。
这样处理后，即使大小不同的proposal输出结果都是pooled_w*pooled_h 固定大小，实现了固定长度输出。
下面用一个实例说明 RoI Pooling的工作原理
假设现在我们有一个8x8大小的feature map，我们要在这个feature map上得到ROI，并且进行ROI pooling到2x2大小的输出。
假设ROI的bounding box为 
。如图：
将它划分为2x2的网格，因为ROI的长宽除以2是不能整除的，所以会出现每个格子大小不一样的情况。
进行max pooling的最终2x2的输出为：
5 分类 （Classification）
Classification部分利用已经获得的proposal feature maps，通过full connect层与softmax计算每个proposal具体属于那个类别（如人，车，电视等），输出cls_prob概率向量；同时再次利用bounding box regression获得每个proposal的位置偏移量bbox_pred，用于回归更加精确的目标检测框。Classification部分网络结构如下图。
从RoI Pooling获取到7x7=49大小的proposal feature maps后，送入后续网络，可以看到做了如下2件事：
- 通过全连接和softmax对proposals进行分类，这实际上已经是识别的范畴了
- 再次对proposals进行bounding box regression，获取更高精度的rect box
这里来看看全连接层InnerProduct layers，简单的示意图下图，
其计算公式如下：
其中W和bias B都是预先训练好的，即大小是固定的，当然输入X和输出Y也就是固定大小。所以，这也就印证了之前Roi Pooling的必要性。