Faster RCNN系列——RPN的真值与预测值

  对于目标检测任务，模型需要预测物体的类别和位置，即类别、边框中心点坐标 $x$ 与 $y$ 、边框宽 $w$ 与高 $h$ 这5个量，基于Anchor这个先验框，RPN可以预测Anchor的类别作为预测边框的类别，可以预测真实的边框相对于Anchor的偏移量进而求解真实边框的位置。

  因此，RPN有两种真实和预测值，分别是类别和偏移量。

  如下图所示，输入图像中有3个Anchor和2个标签，Anchor A与label M有重叠，Anchor C与label N有重叠，Anchor B不与任何label重叠。

图1 Anchor与标签的关系

1.1 真值

• 类别真值

  这里的类别真值是指Anchor是属于前景还是属于背景。RPN通过计算Anchor与标签的IoU来判断一个Anchor是属于前景还是属于背景。图1中Anchor A与label M的IoU计算公式如下：

$$IoU(A,M)=\frac{A\cap M}{A\cup M}$$

  当IoU大于一定值时，该Anchor的类别真值为前景；当IoU小于一定值时，该Anchor的类别真值为背景。具体的判断标准如下：

• 对于任何一个Anchor，与所有标签的最大IoU小于0.3，则视为负样本。

• 对于任何一个标签，与其有最大IoU的Anchor视为正样本。

• 对于任何一个Anchor，与所有标签的最大IoU大于0.7，则视为正样本。

• 偏移量真值

  假设图1中Anchor A的中心坐标为$x_a$与$y_a$，宽高分别为$w_a$与$h_a$，标签M的中心坐标为$x$与$y$，宽高分别为$w$与$h$，则偏移量真值的计算公式如下：

$$\{\begin{array}{c}{t}_x=\frac{(x-x_a)}{w_a}\\ t_y=\frac{(y-y_a)}{h_a}\\ t_w=log(\frac{w}{w_a})\\ t_h=log(\frac{h}{h_a})\end{array}$$

1.2 预测值

  RPN通过搭建如图2所示的网络结构，实现对类别和偏移量的预测，即通过分类分支求得类别预测值、通过回归分支求得偏移量预测值。

图2 RPN网络结构

• 类别预测值

  在分类分支中，首先使用$1\times 1$卷积输出$18\times 37\times 50$的特征，由于每个点默认有9个Anchors,并且每个Anchor 只预测其属于前景还是背景，因此通道数为18。随后利用torch.view()函数将特征映射到$2\times 333\times 75$，这样第一维仅仅是一个Anchor的前景背景得分，并送到Softmax函数中进行概率计算，得到的特征再变换到$18\times 37\times 50$的维度，最终输出的是每个Anchor属于前景与背景的概率。

• 偏移量预测值

  在回归分支中,利用$1\times 1$卷积输出$36\times 37\times 50$的特征，第一维的36包含9个Anchors的预测，每一个Anchor有4个数据，分别代表了每一个Anchor的中心点横纵坐标及宽高这4个量相对于真值的偏移量。