图像检测（上）

物体检测（Object detection）

    检测图片中所有物体的类别标签（Category label）位置（最小外接矩形/Bounding box）

区域卷积神经网络（R-CNN系列）

R-CNN

    模型结构

        按分类问题对待：模块一：提取物体区域（不同位置，不同尺寸，数量很多），模块二：对区域进行分类识别（CNN分类器，计算量大）

模型结构（Bounding Box用于矩形模型的矫正）

R-CNN实例

CNN模型结构详解

    CNN训练流程（4步）

        1·M<-在ImageNet上对CNN模型进行pre-train（预训练）

                预训练：取一个在其他数据集上训练好的模型，进行初始模型（公用层的参数已经训练好了）

        2·M’<-使用所有SS生成区域对M进行fine-train（再训练）

                再训练：基于现在需要解决的数据集进行训练，使得其适应当前的数据集

                    Loss：概率log值

                    Softmax层改成（N+I）-way其他不变

                    32个正样本/物体（N类）：跟Ground-truth重合IoU>=0.5(被检物体与背景的重合度大于0.5)

                    96个负样本/背景（I类）：IoU<0.5(被检物体与背景的重合度小于0.5)

步骤二

        3·C<-在M‘的Fc7特征在训练线性SVMs分类器

            Hinge loss（SVM的损失函数）

            每个类别（N类）对应一个SVM分类器

            正样本：所有的Ground-truth区域

            负样本：跟Ground-truth重合IoU<0.3的SS区域

步骤三

        4·R<-在M‘的Conv5（第五个卷积层输出的结果）特征上训练Bounding box回归模型

            提升定位性能（Bounding box的准确性）

            每个类别（N类）训练一个回归模型

                将SS提供的Bounding box做重新映射P->G,位置重新规划

训练输入

                输出结果；P的IoU>0.6(P为SS算法提出的旧位置信息，G为输出的信息)

                模型优化：Squared loss(差平方和loss)，，

Squared loss函数

            测试阶段：

                参数w已经训练好

参数w

        R-CNN测试阶段

            SS算法提取~2000个区域/图片，将所有的区域膨胀+缩放到227*227。

            使用fine-tune过的AlexNet计算2套特征，为每个类别执行：

                Fc7特征->SVM分类器->类别分值

                使用非极大值抑制（IoU>=0.5）获取无冗余的区域子集

                    （重复下列操作）

                        所有区域按分值从大到小排列

                        剔除冗余：与最大分值区域IoU>=0.5的所有区域

                        保留该最大分值区域，剩余区域作为新候选集

                Conv5特征 ->Bounding Box回归模型 ->Bbox偏差

                使用Bbox偏差修正区域子集

IoU的定义

    性能评价：

准确率与召回率

SPP-Net网络

    R-CNN速度慢的一个重要原因，卷积特征重复计算量太大，每张图片的~2000区域都会计算CNN特征

    俩大改进，直接输入整图，所有区域共享卷积计算（一遍），在conv5层输出上提取所有区域的特征，引入空间金字塔池化，为不同尺寸的区域，在Conv5输出上提取特征，映射到尺寸固定的全连接层上。

SCP网络

    空间金字塔池化，替换conv5的Pooling层，3个level和21个Bin：1*1，2*2，4*4，bin内使用max pooling，每个SS区域会产生21个Bin

 空间金字塔池化

SPP训练流程

    SPP-Net问题：

        继承了R-CNN的剩余问题，需要存储大量特征，复杂的多阶段训练，训练时间长（特征提取时间下降），新问题：SPP层之前的所有卷积层参数不能finetune。

Fast R-CNN

    改进：比R-CNN，SPP-Net更快的training /test 更高的mAP，实现end-to-end（端对端）单阶段训练，多任务损失函数（Multi-task loss）所有层的蚕食都可以实现finetune(微调)，不需要离线存储特征文件。

    在SPP-Net基础引入2个新技术，感兴趣区域池化层（RoI,pooling layer）多任务损失函数（Multi-task loss）

    感兴趣区域池化（RoI pooling）：空间金字塔池化（SPP pooling）的单层特例，将RoI区域的卷积特征拆分成H*W网格（7*7for VGG），每个Bin内的所有特征进行Max pooling

 感兴趣区域池化（RoI pooling）

损失函数

Faster R-CNN

    集成了RPN网络，Faster R-CNN = fast R-CNN+RPN，取代离线的SS模块，解决性能瓶颈，经一部共享卷积层计算，基于Attention机制，引导Fast R-CNN关注区域，Region proposals量少优势（~300）高precision，高recall。

    RPN网络：

RPN网络

    Faster R-CNN网络：

        四步训练流程

            step1    -    训练RPN网络

                卷积层初始化<-ImageNet 上 pretrained模型参数

            step2    -    训练Fast R-CNN网络

                卷积层初始化<-ImageNet上pretrained模型参数

                Region proposals由Step1的RPN生成

            step3    -    调优RPN

                卷积层初始化<-Fast R-CNN的卷积层参数

                固定卷积层，finetune剩余层

            step4    -    调优fast R-CNN

                固定卷积层，finetune剩余层

                Region proposals 由step3的RPN生成