【深度学习：目标检测】RCNN学习笔记(5)：faster rcnn

转载：http://blog.csdn.net/u011534057/article/details/51247371

reference link：
http://blog.csdn.net/shenxiaolu1984/article/details/51152614
http://blog.csdn.net/luopingfeng/article/details/51245694
http://blog.csdn.net/xyy19920105/article/details/50817725

思想

从RCNN到fast RCNN，再到本文的faster RCNN，目标检测的四个基本步骤（候选区域生成，特征提取，分类，位置精修）终于被统一到一个深度网络框架之内。所有计算没有重复，完全在GPU中完成，大大提高了运行速度。 

faster RCNN可以简单地看做“区域生成网络+fast RCNN“的系统，用区域生成网络代替fast RCNN中的Selective Search方法。本篇论文着重解决了这个系统中的三个问题： 
1. 如何设计区域生成网络 
2. 如何训练区域生成网络 
3. 如何让区域生成网络和fast RCNN网络共享特征提取网络

区域生成网络：结构

基本设想是：在提取好的特征图上，对所有可能的候选框进行判别。由于后续还有位置精修步骤，所以候选框实际比较稀疏。 

特征提取

原始特征提取（上图灰色方框）包含若干层conv+relu，直接套用ImageNet上常见的分类网络即可。本文试验了两种网络：5层的ZF[3]，16层的VGG-16[4]，具体结构不再赘述。 
额外添加一个conv+relu层，输出51*39*256维特征（feature）。

Region Proposal Networks的设计和训练思路 

 
上图是RPN的网络流程图，即也是利用了SPP的映射机制，从conv5上进行滑窗来替代从原图滑窗。
不过，要如何训练出一个网络来替代selective search相类似的功能呢？
实际上思路很简单，就是先通过SPP根据一一对应的点从conv5映射回原图，根据设计不同的固定初始尺度训练一个网络，就是给它大小不同（但设计固定）的region图，然后根据与ground truth的覆盖率给它正负标签，让它学习里面是否有object即可。
这就又变成介绍RCNN之前提出的traditional method，训练出一个能检测物体的网络，然后对整张图片进行滑窗判断，不过这样子的话由于无法判断region的尺度和scale ratio，故需要多次放缩，这样子测试，估计判断一张图片是否有物体就需要很久。(传统hog+svm->dpm)

如何降低这一部分的复杂度？
要知道我们只需要找出大致的地方，无论是精确定位位置还是尺寸，后面的工作都可以完成，这样子的话，与其说用小网络，简单的学习（这样子估计和蒙差不多了，反正有无物体也就50%的概率），还不如用深的网络，固定尺度变化，固定scale ratio变化，固定采样方式（反正后面的工作能进行调整，更何况它本身就可以对box的位置进行调整）这样子来降低任务复杂度呢。
这里有个很不错的地方就是在前面可以共享卷积计算结果，这也算是用深度网络的另一个原因吧。而这三个固定，我估计也就是为什么文章叫这些proposal为anchor的原因了。这个网络的结果就是卷积层的每个点都有有关于k个achor boxes的输出，包括是不是物体，调整box相应的位置。这相当于给了比较死的初始位置（三个固定），然后来大致判断是否是物体以及所对应的位置.
这样子的话RPN所要做的也就完成了，这个网络也就完成了它应该完成的使命，剩下的交给其他部分完成。

候选区域（anchor）

特征可以看做一个尺度51*39的256通道图像，对于该图像的每一个位置，考虑9个可能的候选窗口：三种面积{1282,2562,5122}×    三种比例{1:1,1:2,2:1}      。   
这些候选窗口称为anchors。
下图示出51*39个anchor中心，以及9种anchor示例。 

关于anchor的问题：
这里在详细解释一下:(1)首先按照尺度和长宽比生成9种anchor,这9个anchor的意思是conv5 feature map 3x3的滑窗对应原图区域的大小.这9个anchor对于任意输入的图像都是一样的，所以只需要计算一次. 既然大小对应关系有了，下一步就是中心点对应关系，接下来(2)对于每张输入图像，根据图像大小计算conv5 3x3滑窗对应原图的中心点.   有了中心点对应关系和大小对应关系，映射就显而易见了.

在整个faster RCNN算法中，有三种尺度。 
原图尺度：原始输入的大小。不受任何限制，不影响性能。 
归一化尺度：输入特征提取网络的大小，在测试时设置，源码中opts.test_scale=600。anchor在这个尺度上设定。这个参数和anchor的相对大小决定了想要检测的目标范围。 
网络输入尺度：输入特征检测网络的大小，在训练时设置，源码中为224*224。

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Region Proposal Networks

RPN的目的是实现"attention"机制,告诉后续的扮演检测\识别\分类角色的Fast-RCNN应该注意哪些区域,它从任意尺寸的图片中得到一系列的带有 objectness score 的 object proposals。
具体流程是：使用一个小的网络在已经进行通过卷积计算得到的feature map上进行滑动扫描，这个小的网络每次在一个feature map上的一个窗口进行滑动(这个窗口大小为n*n----在这里,再次看到神经网络中用于缩减网络训练参数的局部感知策略receptive field,通常n=228在VGG-16,而作者论文使用n=3)，滑动操作后映射到一个低维向量(例如256D或512D,这里说256或512是低维,Q:n=3,n*n=9,为什么256是低维呢?那么解释一下:低维相对不是指窗口大小,窗口是用来滑动的!256相对的是a convolutional feature map of a size W × H (typically ∼2,400),而2400这个特征数很大,所以说256是低维.另外需要明白的是:这里的256维里的每一个数都是一个Anchor(由2400的特征数滑动后操作后,再进行压缩))最后将这个低维向量送入到两个独立\平行的全连接层:box回归层（a box-regression layer (reg)）和box分类层（a box-classification layer (cls)）

Translation-Invariant Anchors

       在计算机视觉中的一个挑战就是平移不变性:比如人脸识别任务中,小的人脸(24*24的分辨率)和大的人脸(1080*720)如何在同一个训练好权值的网络中都能正确识别. 传统有两种主流的解决方式：
第一:对图像或feature map层进行尺度\宽高的采样;
第二,对滤波器进行尺度\宽高的采样(或可以认为是滑动窗口). 
但作者的解决该问题的具体实现是:通过卷积核中心(用来生成推荐窗口的Anchor)进行尺度、宽高比的采样。如上图右边，文中使用了3 scales and 3 aspect ratios （1:1,1:2,2:1）, 就产生了 k = 9 anchors at each sliding position. 

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窗口分类和位置精修

分类层（cls_score）输出每一个位置上，9个anchor属于前景和背景的概率；窗口回归层（bbox_pred）输出每一个位置上，9个anchor对应窗口应该平移缩放的参数。 
对于每一个位置来说，分类层从256维特征中输出属于前景和背景的概率；窗口回归层从256维特征中输出4个平移缩放参数。

就局部来说，这两层是全连接网络；就全局来说，由于网络在所有位置（共51*39个）的参数相同，所以实际用尺寸为1×1的卷积网络实现。

需要注意的是：并没有显式地提取任何候选窗口，完全使用网络自身完成判断和修正。

区域生成网络：训练

样本

考察训练集中的每张图像： 
a. 对每个标定的真值候选区域，与其重叠比例最大的anchor记为前景样本 
b. 对a)剩余的anchor，如果其与某个标定重叠比例大于0.7，记为前景样本；如果其与任意一个标定的重叠比例都小于0.3，记为背景样本 
c. 对a),b)剩余的anchor，弃去不用。 
d. 跨越图像边界的anchor弃去不用

代价函数

同时最小化两种代价： 
a. 分类误差 
b. 前景样本的窗口位置偏差 

超参数

原始特征提取网络使用ImageNet的分类样本初始化，其余新增层随机初始化。 
每个mini-batch包含从一张图像中提取的256个anchor，前景背景样本1:1. 
前60K迭代，学习率0.001，后20K迭代，学习率0.0001。 
momentum设置为0.9，weight decay设置为0.0005。[5]

共享特征

区域生成网络（RPN）和fast RCNN都需要一个原始特征提取网络（下图灰色方框）。这个网络使用ImageNet的分类库得到初始参数W0，但要如何精调参数，使其同时满足两方的需求呢？本文讲解了三种方法。 

轮流训练

a. 从W0开始，训练RPN。用RPN提取训练集上的候选区域 
b. 从W0开始，用候选区域训练Fast RCNN，参数记为W1 
c. 从W1开始，训练RPN… 
具体操作时，仅执行两次迭代，并在训练时冻结了部分层。论文中的实验使用此方法。 
如Ross Girshick在ICCV 15年的讲座Training R-CNNs of various velocities中所述，采用此方法没有什么根本原因，主要是因为”实现问题，以及截稿日期“。

近似联合训练

直接在上图结构上训练。在backward计算梯度时，把提取的ROI区域当做固定值看待；在backward更新参数时，来自RPN和来自Fast RCNN的增量合并输入原始特征提取层。 
此方法和前方法效果类似，但能将训练时间减少20%-25%。公布的python代码中包含此方法。

联合训练

直接在上图结构上训练。但在backward计算梯度时，要考虑ROI区域的变化的影响。推导超出本文范畴，请参看15年NIP论文[6]。

实验

除了开篇提到的基本性能外，还有一些值得注意的结论

• 与Selective Search方法（黑）相比，当每张图生成的候选区域从2000减少到300时，本文RPN方法（红蓝）的召回率下降不大。说明RPN方法的目的性更明确。 
  

• 使用更大的Microsoft COCO库[7]训练，直接在PASCAL VOC上测试，准确率提升6%。说明faster RCNN迁移性良好，没有over fitting。 
  

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1. Girshick, Ross, et al. “Rich feature hierarchies for accurate object detection and semantic segmentation.” Proceedings of the IEEE conference on computer vision and pattern recognition. 2014. ↩
2. Girshick, Ross. “Fast r-cnn.” Proceedings of the IEEE International Conference on Computer Vision. 2015. ↩
3. M. D. Zeiler and R. Fergus, “Visualizing and understanding convolutional neural networks,” in European Conference on Computer Vision (ECCV), 2014. ↩
4. K. Simonyan and A. Zisserman, “Very deep convolutional networks for large-scale image recognition,” in International Conference on Learning Representations (ICLR), 2015. ↩
5. learning rate-控制增量和梯度之间的关系；momentum-保持前次迭代的增量；weight decay-每次迭代缩小参数，相当于正则化。 ↩
6. Jaderberg et al. “Spatial Transformer Networks” 
   NIPS 2015 ↩
7. 30万+图像，80类检测库。参看http://mscoco.org/