目标检测篇——R-CNN系列学习笔记

说明

本笔记由个人在学习过程中整理而得，所以难免会有一些错误或者与其它博客雷同情况，请大家多多包涵。

一、R-CNN

R-CNN论文原文：https://arxiv.org/abs/1311.2524v3

图1

1.1 算法流程

1. 输入一张多目标图像，采用selective search算法提取约2000个候选框；
2. 将每个候选框变形为227×227的大小；
3. 对每个候选框进行去均值的预处理操作，然后再送进AlexNet网络提取特征，最后2000个建议框的CNN特征组合成2000×4096维矩阵；
4. 将提取的特征送进20个SVM分类器，输出每个候选框对应每个类别的得分；
5. 对每一个类别进行NMS非极大值抑制剔除重叠度较高的候选框；
6. 对剩下的候选框进行Bounding Box Regression精细修正候选框的位置。

1.2 算法细节

1. selective search算法
   ①使用 Efficient Graph-Based Image Segmentation的方法获取原始分割区域R={r1,r2,…,rn}；
   ②初始化相似度集合S=∅；
   ③计算两两相邻区域之间的相似度(颜色，纹理，尺寸，交叠等相似度)，将其添加到相似度集合S中；
   ④从相似度集合S中找出，相似度最大的两个区域 ri 和rj，将其合并成为一个区域 rt，从相似度集合中除去原先与ri和rj相邻区域之间计算的相似度，计算rt与其相邻区域（原先与ri或rj相邻的区域）的相似度，将其结果添加的到相似度集合S中。同时将新区域 rt 添加到 区域集合R中；
   ⑤重复④步骤，直到S为空；
   ⑥获取每个区域的Bounding Boxes，这个结果就是物体位置的可能结果L。

2. 怎么样将候选框crop成227×227大小？
   ①各向异性缩放
   这种方法很简单，就是不管图片的长宽比例，管它是否扭曲，进行缩放就是了，全部缩放到CNN输入的大小227*227，如下图(D)所示；
   ②各向同性缩放
   因为图片扭曲后，估计会对后续CNN的训练精度有影响，于是作者也测试了“各向同性缩放”方案。这个有两种办法
   A、直接在原始图片中，把bounding box的边界进行扩展延伸成正方形，然后再进行裁剪；如果已经延伸到了原始图片的外边界，那么就用bounding box中的颜色均值填充；如下图(B)所示;
   B、先把bounding box图片裁剪出来，然后用固定的背景颜色填充成正方形图片(背景颜色也是采用bounding box的像素颜色均值),如下图(C)所示;
   对于上面的异性、同性缩放，文献还有个padding处理，下面的示意图中第1、3行就是结合了padding=0,第2、4行结果图采用padding=16的结果。经过最后的试验，作者发现采用各向异性缩放、padding=16的效果最好，能使mAP提升3-5%。
   

   图2

3. NMS非极大值抑制
   ①根据分类器类别得分从大到小进行排序，分别为F、E、D、C、B、A；
   ②以最大得分候选框F为标准，判断A-E与F的IOU是否大于某个阈值，假设B、D超过阈值，那么就扔掉B、D，并标记第一个候选框F，保留下来。
   ③从剩下的候选框A、C、E中，选择概率最大的E框为标准，重复②中步骤；
   ④重复上述步骤，直到处理完所有类的候选框。

4. Bounding Box Regression(边框回归)
   边框回归(Bounding Box Regression)详解 这篇文章对边框回归做了很详细的解释。

5. 正负样本的选择
   ①AlexNet的微调：IOU>0.5的候选框为正样本，IoU≤0.5的候选框为负样本。
   ②SVM训练：Ground Truth框为正样本，IoU＜0.3的候选框为负样本由于负样本太多，采用hard negative mining的方法在负样本中选取有代表性的负样本。
   ③回归器训练：与Ground Truth相交IoU最大的候选框，并且IoU>0.6的候选框。

6. 网络训练
   先在ILSVRC 2012数据集上进行有监督预训练，然后在PASCAL VOC 2007数据集(既有图像中物体类别标签，也有图像中物体位置标签)上进行微调。

7. 为什么微调时和训练SVM时所采用的正负样本阈值0.5和0.3不一致？
   微调阶段是由于CNN对小样本容易过拟合，需要大量训练数据，故对IoU限制宽松，与Ground Truth相交IoU>0.5的建议框为正样本，否则为负样本；
   SVM这种机制是由于其适用于小样本训练，故对样本IoU限制严格：Ground Truth为正样本，与Ground Truth相交IoU＜0.3的建议框为负样本。

8. 其它
   Bounding Box Regression时使用的是pool5层输出的特征，SVM分类器使用的是fc7层输出的特征。

1.3 算法缺点

1. selective search算法耗时；
2. selective search算法得出的约2k个建议框每一个都需要经过变形处理后由CNN前向网络计算一次特征，耗时而且冗余；
3. 最后做边框回归时要保留pool5层输出的特征或者再进行一次前向运算，耗时且浪费磁盘空间。

二、Fast R-CNN

Fast R-CNN论文原文：https://arxiv.org/abs/1504.08083

图3

2.1 算法流程

1. 一张图片输入CNN网络，经过若干卷积层与池化层，得到特征图；
2. 在图片上采用selective search算法提取约2k个候选框；
3. 根据原图中候选框到特征图映射关系，在特征图中找到每个候选框对应的特征框(深度和特征图一致)，并在RoI池化层中将每个特征框池化到H×W(VGG-16网络是7×7)的size；
4. 固定H×W【VGG-16网络是7×7】大小的特征框经过全连接层得到固定大小的特征向量
5. 第4步所得特征向量经由各自的全连接层，分别得到两个输出向量：一个是softmax的分类得分，一个是Bounding-box窗口回归；
6. 利用窗口得分分别对每一类物体进行非极大值抑制剔除重叠候选框，最终得到每个类别中回归修正后的得分最高的窗口。

2.2 算法细节

1. ROI pooling
   ROI Pooling的作用是对不同大小的region proposal，从最后卷积层输出的feature map提取大小固定的feature map。因为全连接层的输入需要尺寸大小一样，所以不能直接将不同大小的region proposal映射到feature map作为输出，需要做尺寸变换。
   

   图4
   
   针对上图
   ①Conv layers使用的是VGG16，feat_stride=32(即表示，经过网络层后图片缩小为原图的1/32),原图800×800,最后一层特征图feature map大小:25×25；
   ②假定原图中有一region proposal，大小为665×665，这样，映射到特征图中的大小：665/32=20.78,即20.78×20.78，如果你看过Caffe的Roi Pooling的C++源码，在计算的时候会进行取整操作，于是，进行所谓的第一次量化，即映射的特征图大小为20×20；
   ③假定pooled_w=7,pooled_h=7,即pooling后固定成7×7大小的特征图，所以，将上面在 feature map上映射的20*20的 region proposal划分成49个同等大小的小区域，每个小区域的大小20/7=2.86,即2.86×2.86，此时，进行第二次量化，故小区域大小变成2×2；
   ④每个2×2的小区域里，取出其中最大的像素值，作为这一个区域的‘代表’，这样，49个小区域就输出49个像素值，组成7×7大小的feature map
   总结，所以，通过上面可以看出，经过两次量化，即将浮点数取整，原本在特征图上映射的20×20大小的region proposal，偏差成大小为7×7的，这样的像素偏差势必会对后层的回归定位产生影响。所以后面有人提出ROI Align这一改进的方法。

2. Multi-task loss
   损失函数的定义是将分类的loss和回归的loss整合在一起，其中分类采用log loss，即对真实分类的概率取负log，而回归的loss和R-CNN基本一样。分类层输出K+1维，表示K个类和1个背景类。
   
   
   
   
   
   smooth L1损失函数相比于L2损失函数，其对离群点、异常值不敏感，可控制梯度的量级使训练时不容易跑飞；
   
   约定 为背景分类，那么 函数表示背景候选区域即负样本不参与回归损失，不需要对候选区域进行回归操作；
   控制分类损失和回归损失的平衡，论文中所有实验 。

3. SVD分解加速全连接层
   如果是一个普通的分类网络，那么全连接层的计算应该远不及卷积层的计算，但是针对object detection，Fast RCNN在ROI pooling后每个region proposal都要经过几个全连接层，这使得全连接层的计算占网络的计算将近一半，所以作者采用SVD分解来加速全连接层的计算。

4. 使用softmax分类器
   Fast R-CNN去掉了SVM这一步，所有的特征都暂存在显存中，就不需要额外的磁盘空间；而且比SVM分类器性能好。

5. 网络训练
   先在ILSVRC 2012数据集上进行有监督预训练，然后在PASCAL VOC 2007数据集(既有图像中物体类别标签，也有图像中物体位置标签)上进行微调。
   微调前，需要对有监督预训练后的模型进行3步转化：
   ①RoI池化层取代有监督预训练后的VGG-16网络最后一层池化层；
   ②两个并行层取代上述VGG-16网络的最后一层全连接层和softmax层，并行层之一是新全连接层1+原softmax层1000个分类输出修改为21个分类输出【20种类+背景】，并行层之二是新全连接层2+候选区域窗口回归层，如下图所示；
   ③上述网络由原来单输入：一系列图像修改为双输入：一系列图像和这些图像中的一系列候选区域；

6. 正负样本的选择
   CNN微调：与Ground Truth相交IoU∈[0.5,1]的候选框为正样本，与Ground Truth相交IoU中最大值∈[0.1,0.5]的候选框，保证正负样本比为1:3。

7. 微调哪些层？
   SPPnet论文中采用ZFnet【AlexNet的改进版】这样的小网络，其在微调阶段仅对全连接层进行微调，就足以保证较高的精度，论文作者文中采用VGG-16【L for large】网路，若仅仅只对全连接层进行微调，mAP会从66.9%降低到61.4%， 所以文中也需要对RoI池化层之前的卷积层进行微调；
   论文作者经过实验发现仅需要对conv3_1及以后卷积层【即9-13号卷积层】进行微调，才使得mAP、训练速度、训练时GPU占用显存三个量得以权衡； 作者说明所有AlexNet【S for small】、VGG_CNN_M_1024【M for medium】的实验结果都是从conv2往后微调，所有VGG-16【L for large】的实验结果都是从conv3_1往后微调。

2.3 算法缺点

1. selective search算法耗时，而且Fast R-CNN并没有实现真正意义上的端到端训练模式。

三、Faster R-CNN

Faster R-CNN论文原文：https://arxiv.org/abs/1506.01497

图5

3.1 算法流程

1. 将一张图片送进CNN网络提取特征，提取的feature maps被共享用于后续RPN层和全连接层；
2. 第一步提取的特征进入RPN网络用于生成region proposals。该层通过softmax判断anchors属于前景或者背景，再利用bounding box regression修正anchors获得精确的proposals；
3. 根据第二步得到的候选框和第一步提取的feature maps，通过映射关系提取候选框所对应的特征图，进入RoI池化层中将每个特征框池化到固定H×W的size；
4. 然后通过两个并行的全连接层，输出该区域的分类得分以及对候选框再次进行bounding box regression获得检测框最终的精确位置。

3.2 算法细节

1. anchors
   对经过共享卷积层计算获得的feature maps，为每一个点都配备这9种anchors作为初始的检测框。9个anchors框，三种尺度三种长宽比{1:1，1:2，2:1}。
   

   图6
   
   对于1000×600的一张图像，大约有20000(~60×40×9)个anchors，忽略超出边界的anchors剩下6000个anchors，利用非极大值抑制去掉重叠区域，剩2000个区域建议用于训练； 测试时在2000个区域建议中选择Top-N【300】个区域建议用于Fast R-CNN检测。

2. Region Proposal Networks(RPN)
   

   图7
   
   对经过共享卷积层提取的feature maps，假设特征图大小为W×H，用3×3的卷积核在特征图上滑动卷积，特征图上每个点通过卷积得到一个低维的特征向量(ZF网络：256维；VGG-16网络：512维)。然后分为两路，左边一条通过softmax分类anchors获得positive和negative分类，右边一条用于计算对于anchors的bounding box regression偏移量，以获得精确的proposal。分类那一路原来W×H×256的特征图经过1×1卷积输出W×H×18的特征图(2类9个anchors框)，然后进入softmax得到每个框是前景还是背景的概率。回归那一路原来W×H×256的特征图经过1×1卷积输出W×H×36的特征图(4个关于anchors框的偏移量9个anchors框)，只有被判断为前景的anchors框才做bbox regression。
   如何断定anchor是否为前景：
   ①与GT相比，拥有最高的IOU的anchor为前景（可以低于0.7）；
   ②与任意GT相比，IOU>0.7为前景；
   ③与任意GT相比，IOU<0.3为背景；
   ④其余的非负非正，则没有用；
   对于前景框，按照输入的positive softmax scores由大到小排序anchors，提取前pre_nms_topN(e.g. 6000)个anchors，即提取修正位置后的positive anchors，限定超出图像边界的positive anchors为图像边界，弃用所有超出图像边界的anchors，剔除尺寸非常小的positive anchors，对剩余的positive anchors进行NMS。最终一张图有2000个anchors用于训练。
   RPN网络使用如下损失：
   
   其中分类损失函数 是一个二值【是物体或者不是物体】函数：
   
   回归损失函数，函数定义如下：
   

3. ROI pooling层后面跟Fast R-CNN一样。

4. 训练过程
   Faster R-CNN的训练，是在已经训练好的model（如VGG_CNN_M_1024，VGG，ZF）的基础上继续进行训练。
   第一步：用model初始化RPN网络，然后训练RPN，在训练后，model以及RPN的unique会被更新。
   第二步：用model初始化Fast-rcnn网络，注意这个model和第一步一样。然后使用训练过的RPN来计算proposal，再将proposal给予Fast-rcnn网络。接着训练Fast-rcnn。训练完以后，model以及Fast-rcnn的unique都会被更新。说明：第一和第二步，用同样的model初始化RPN网络和Fast-rcnn网络，然后各自独立地进行训练，所以训练后，各自对model的更新一定是不一样的（论文中的different ways），因此就意味着model是不共享的（论文中的dont share convolution layers）。
   第三步：使用第二步训练完成的model来初始化RPN网络，第二次训练RPN网络。但是这次要把model锁定，训练过程中，model始终保持不变，而RPN的unique会被改变。说明：因为这一次的训练过程中，model始终保持和上一步Fast-rcnn中model一致，所以就称之为着共享。
   第四步：仍然保持第三步的model不变，初始化Fast-rcnn，第二次训练Fast-rcnn网络。其实就是对其unique进行finetune，训练完毕，得到一个文中所说的unified network。
   

   图8