目标检测——Faster R-CNN（三）

简介
经过R-CNN和Fast R-CNN的积淀，Ross B. Girshick在2016年提出了新的Faster R-CNN，在结构上，Faster R-CNN已经将特征抽取(feature extraction)，proposal提取，bounding box regression(rect refine)，classification都整合在了一个网络中，使得综合性能有较大提高，在检测速度方面尤为明显。
原论文地址：https://arxiv.org/abs/1506.01497

一、整体框架

从上图来看，Faster R-CNN其实可以分为4个主要内容：

1. Conv layers提取特征图：Faster R-CNN首先使用一组基础的conv+relu+pooling层提取input image的feature maps,该feature maps会用于后续的RPN层和全连接层。
2. RPN(Region Proposal Networks): RPN网络主要用于生成region proposals，首先生成一堆Anchor box，对其进行裁剪过滤后通过softmax判断anchors属于前景还是背景，即是物体or不是物体，所以这是一个二分类。同时，另一分支bounding box regression修正anchor box，形成较精确的proposal。
3. ROI Pooling：该层利用RPN生成的proposals和VGG16最后一层得到的feature map，得到固定大小的proposal feature map,进入到后面可利用全连接操作来进行目标识别和定位。
4. Classifier分类：会将ROI Pooling层形成固定大小的feature map进行全连接操作，利用Softmax进行具体类别的分类，同时，利用L1 Loss完成bounding box regression回归操作获得物体的精确位置。

二、VGG16模型中的Faster R-CNN的网络结构

1. Conv layers：
   Faster R-CNN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，Conv layers部分共有13个conv层，13个relu层，4个pooling层。
   所有的conv层都是：kernel_size=3，pad=1，stride=1。conv层不会改变图片大小。
   所有的pooling层都是：kernel_size=2，stride=2。pooling层会让输出图片是输入图片的1/2。
2. RPN(Region Proposal Networks)：
   RPN 的用途在于, 判断需要处理的图片区域, 以降低推断时的计算量。RPN 快速有效的扫描图片中每一个位置, 以判断给定区域是否需要进一步处理.。
   Feature Map进入RPN后，先经过一个3x3卷积，这样做的目的应该是进一步集中特征信息，接着看到两个1x1卷积（对多通道图像做1x1卷积，其实就是将输入图像于每个通道乘以卷积系数后加在一起，即相当于把原图像中本来各个独立的通道“联通”在了一起）。
   RPN网络实际分为2条线，上面一条classification 分支：通过softmax分类anchors获得foreground和background（检测目标是foreground），classification 分支输出一个概率值, 表示 bounding-box 中是否包含 object (classid = 1), 或者是 background (classid = 0), no object。
   下面一条regression 分支用于计算对于anchors的bounding box regression偏移量，以获得精确的proposal。regression 分支输出预测的边界框bounding-box: (x, y, w, h)。
   而最后的Proposal层则负责综合foreground anchors和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这里，就完成了相当于目标定位的功能。
   
   anchor生成：在 feature maps 上进行滑窗操作(sliding window)。对于每个滑窗, 会生成 9 个 anchors, anchors 具有相同的中心，但 anchors 具有 3 种不同的长宽比(aspect ratios) 和 3 种不同的尺度(scales), 计算是相对于原始图片尺寸的。对于每个 anchor, 计算 anchor 与 ground-truth bounding boxes 的重叠部分(overlap) 值P*。
   如果 IoU > 0.7, 则 P*=1;
   如果 IoU < 0.3, 则 P*=−1;
3. RoI Pooling：
   而RoI Pooling层则负责收集proposal，并计算出proposal feature maps，送入后续网络。
   可以看到Rol pooling层有2个输入：原始的feature maps和RPN输出的proposal boxes（大小各不相同）。
4. 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。

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