目标检测--02（Two Stage目标检测算法1）

Two Stage目标检测算法
R-CNN

R-CNN有哪些创新点？
使用CNN（ConvNet）对 region proposals 计算 feature vectors。从经验驱动特征（SIFT、HOG）到数据驱动特征（CNN feature map），提高特征对样本的表示能力。
采用大样本下（ILSVRC）有监督预训练和小样本（PASCAL）微调（fine-tuning）的方法解决小样本难以训练甚至过拟合等问题。
注：ILSVRC其实就是众所周知的ImageNet的挑战赛，数据量极大；PASCAL数据集（包含目标检测和图像分割等），相对较小。

R-CNN 介绍
​ R-CNN作为R-CNN系列的第一代算法，其实没有过多的使用“深度学习”思想，而是将“深度学习”和传统的“计算机视觉”的知识相结合。比如R-CNN pipeline中的第二步和第四步其实就属于传统的“计算机视觉”技术。使用selective search提取region proposals，使用SVM实现分类。

原论文中R-CNN pipeline只有4个步骤，光看上图无法深刻理解R-CNN处理机制，下面结合图示补充相应文字
1、预训练模型。选择一个预训练 （pre-trained）神经网络（如AlexNet、VGG）。
2、重新训练全连接层。使用需要检测的目标重新训练（re-train）最后全连接层（connected layer）。
3、提取 proposals并计算CNN 特征。利用选择性搜索（Selective Search）算法提取所有proposals（大约2000幅images），调整（resize/warp）它们成固定大小，以满足 CNN输入要求（因为全连接层的限制），然后将feature map 保存到本地磁盘。

5、训练SVM。利用feature map 训练SVM来对目标和背景进行分类（每个类一个二进制SVM）

6、边界框回归（Bounding boxes Regression）。训练将输出一些校正因子的线性回归分类器

Fast R-CNN

Fast R-CNN有哪些创新点？

1、只对整幅图像进行一次特征提取，避免R-CNN中的冗余特征提取
2、用RoI pooling层替换最后一层的max pooling层，同时引入建议框数据，提取相应建议框特征
3、Fast R-CNN网络末尾采用并行的不同的全连接层，可同时输出分类结果和窗口回归结果，实现了end-to-end的多任务训练【建议框提取除外】，也不需要额外的特征存储空间【R-CNN中的特征需要保持到本地，来供SVM和Bounding-box regression进行训练】
4、采用SVD对Fast R-CNN网络末尾并行的全连接层进行分解，减少计算复杂度，加快检测速度。

Fast R-CNN 介绍

​ Fast R-CNN是基于R-CNN和SPPnets进行的改进。SPPnets，其创新点在于计算整幅图像的the shared feature map，然后根据object proposal在shared feature map上映射到对应的feature vector（就是不用重复计算feature map了）。当然，SPPnets也有缺点：和R-CNN一样，训练是多阶段（multiple-stage pipeline）的，速度还是不够"快"，特征还要保存到本地磁盘中。

将候选区域直接应用于特征图，并使用RoI池化将其转化为固定大小的特征图块。以下是Fast R-CNN的流程图。

RoI Pooling层详解

因为Fast R-CNN使用全连接层，所以应用RoI Pooling将不同大小的ROI转换为固定大小。

RoI Pooling 是Pooling层的一种，而且是针对RoI的Pooling，其特点是输入特征图尺寸不固定，但是输出特征图尺寸固定（如7x7）。

什么是RoI呢？

RoI是Region of Interest的简写，一般是指图像上的区域框，但这里指的是由Selective Search提取的候选框。

往往经过RPN后输出的不止一个矩形框，所以这里我们是对多个RoI进行Pooling。

RoI Pooling的输入

输入有两部分组成：

1、特征图（feature map）：指的是上面所示的特征图，在Fast RCNN中，它位于RoI Pooling之前，在Faster RCNN中，它是与RPN共享那个特征图，通常我们常常称之为“share_conv”；
2、RoIs，其表示所有RoI的N*5的矩阵。其中N表示RoI的数量，第一列表示图像index，其余四列表示其余的左上角和右下角坐标。
在Fast RCNN中，指的是Selective Search的输出；在Faster RCNN中指的是RPN的输出，一堆矩形候选框，形状为1x5x1x1（4个坐标+索引index），其中值得注意的是：坐标的参考系不是针对feature map这张图的，而是针对原图的（神经网络最开始的输入）。其实关于ROI的坐标理解一直很混乱，到底是根据谁的坐标来。其实很好理解，我们已知原图的大小和由Selective Search算法提取的候选框坐标，那么根据"映射关系"可以得出特征图（featurwe map）的大小和候选框在feature map上的映射坐标。至于如何计算，其实就是比值问题，下面会介绍。所以这里把ROI理解为原图上各个候选框（region proposals），也是可以的。

注：说句题外话，由Selective Search算法提取的一系列可能含有object的bounding box，这些通常称为region proposals或者region of interest（ROI）。

RoI的具体操作

1、根据输入image，将ROI映射到feature map对应位置

注：映射规则比较简单，就是把各个坐标除以“输入图片与feature map的大小的比值”，得到了feature map上的box坐标

2、将映射后的区域划分为相同大小的sections（sections数量与输出的维度相同）

3、对每个sections进行max pooling操作

这样我们就可以从不同大小的方框得到固定大小的相应 的feature maps。值得一提的是，输出的feature maps的大小不取决于ROI和卷积feature maps大小。RoI Pooling 最大的好处就在于极大地提高了处理速度。

RoI Pooling的输出

输出是batch个vector，其中batch的值等于RoI的个数，vector的大小为channel * w * h；RoI Pooling的过程就是将一个个大小不同的box矩形框，都映射成大小固定（w * h）的矩形框。