深度学习-目标检测(一)-R-CNN

一：目标检测-Overfeat模型

1.滑动窗口

二：目标检测R-CNN模型

1.R-CNN结构

1.步骤（以AlexNet网络为基准）

2.候选区域

3.Crop+Warp

4.CNN网络提取特征

5.特征向量训练分类器SVM

三：R-CNN训练过程

1.训练正负样本准备

2.预训练

3.微调

4.SVM分类器

5.BBox回归器训练

四：R-CNN测试过程

五：总结

缺点：

六：SPPNet

1.映射

2.spatial pyramid pooling

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一：目标检测-Overfeat模型

1.滑动窗口

目标检测的暴力方法是从左到右、从上到下滑动窗口，利用分类识别目标。为了在不同观察距离处检测不同的目标类型，我们使用不同大小和宽高比的窗口。如下图所示：

这样就变成每张子图片输出类别以及位置，变成分类问题。但是滑动窗口需要初始设定一个固定大小的窗口，这就遇到了一个问题，有些物体适应的框不一样，所以需要提前设定K个窗口，每个窗口滑动提取M个，总共K x M 个图片，通常会直接将图像变形转换成固定大小的图像，变形图像块被输入 CNN 分类器中，提取特征后，我们使用一些分类器识别类别和该边界框的另一个线性回归器。

这种方法类似一种暴力穷举的方式，会消耗大量的计算力量，并且由于窗口大小问题可能会造成效果不准确

但是提供了一种解决目标检测问题的思路

二：目标检测R-CNN模型

1.R-CNN结构

不使用暴力方法，而是用候选区域方法（region proposal method）,创建目标检测的区域改变了图像领域实现物体检测的模型思路，R-CNN是以深度神经网络为基础的物体检测的模型，R-CNN在当时以优异的性能令世人瞩目，以R-CNN为基点，后续的SPPNet、Fast R-CNN、Faster R-CNN模型都是照着这个物体检测思路。

1.步骤（以AlexNet网络为基准）

1.找出图片中可能存在目标的候选区域region proposal

2.进行图片大小调整为了适应AlexNet网络的输入图像的大小227*227，通过CNN对候选区域提取特征向量，2000个建议框的CNN特征组合成2000*4096维矩阵

3.将2000*4096维特征与20个SVM组成的权值阵4096*20相乘（20种分类，SVM是二分类器，则有20个SVM），获得2000*20维矩阵

4.分别对2000*20维矩阵中每一列即每一类进行非极大值抑制（NMS:non-maximum suppression）剔除重叠建议框，得到该列即该类中得分最高的一些建议框

5.修正bbox，对bbox做回归微调

2.候选区域

选择性搜索（SelectiveSearch，SS）中，首先将每个像素作为一组。然后，计算每一组的纹理，并将两个最接近的组结合起来。但是为了避免单个区域吞噬其他区域，我们首先对较小的组进行分组。我们继续合并区域，直到所有区域都结合在一起。下图第一行展示了如何使区域增长，第二行中的蓝色矩形代表合并过程中所有可能的 ROI。

SelectiveSearch在一张图片上提取出来约2000个侯选区域，需要注意的是这些候选区域的长宽不固定。而使用CNN提取候选区域的特征向量，需要接受固定长度的输入，所以需要对候选区域做一些尺寸上的修改。

3.Crop+Warp

传统的CNN限制了输入必须固定大小，所以在实际使用中往往需要对原图片进行crop或者warp的操作

crop：截取原图片的一个固定大小的patch
warp：将原图片的ROI缩放到一个固定大小的patch

无论是crop还是warp，都无法保证在不失真的情况下将图片传入到CNN当中。会使用一些方法尽量让图片保持最小的变形。

1.各向异性缩放：即直接缩放到指定大小，这可能会造成不必要的图像失真
2.各向同性缩放：在原图上出裁剪侯选区域， (采用侯选区域的像素颜色均值)填充到指定大小在边界用固定的背景颜色

4.CNN网络提取特征

再候选区域的基础上提取出更高级，更抽象的特征，这些高级特征是作为下一步的分类器，回归的输入数据

提取的这些特征将会保存再磁盘中（这些提取的特征才是真正的要训练的数据）

5.特征向量训练分类器SVM

假设一张图片2000个候选区，那么提取出来的就是2000*4096这样的特征向量（R-CNN中默认CNN层输出4096特征向量）。那么最后需要对这些特征进行分类，R-CNN选用SVM进行二分类。假设检测N个类别，那么会提供N个不同类别的SVM分类器，每个分类器都会对2000个候选区的特征向量分别判断一次，这样得出[2000，N]的得分矩阵。

每个SVM分类器都要判别这2000个候选区是某类别，还是背景

6.非最大抑制（NMS）

目的：筛选候选区，得到最终候选区域结果

迭代过程：对所有的2000个候选区域得分进行概率筛选，然后对剩余的候选框，每个类别进行loU（交并比）>=0.5筛选

假设现在滑动窗口有：ABCD四个框

第一轮：假设B是得分最高的，与B的loU>0.5删除，现在与B计算loU，DE结果>0.5，剔除DE，B作为一个预测结果

第二轮：AC中，A的得分最高，与A计算loU，C>0.5，剔除C，A作为一个结果

最终筛选出A和B

7.修正候选区域

那么通过非最大抑制筛选出来的一定非常准确吗？R-CNN提供了这样一个方法，建立一个bbox regressor，用于回归修正筛选后的候选区域，使之回归用于ground-truth，默认认为这两个框之间是线性关系，因为这是最后筛选出来的候选区域和ground-truth很接近了

修正过程：

三：R-CNN训练过程

R-CNN的训练过程这些部分，正负样本准备+预训练+微调网络+训练SVM+训练边框回归器

1.训练正负样本准备

对于训练集中的所有图像，采用selective search方式来获取，最后每个图像得到2000个region proposal。但是每个图像不是所有的候选区域都会拿去训练

这样得出若干个候选区域以及对应的标记结果

2.预训练

CNN模型层数多，模型的容量大,通常会采用2012年的著名网络AlexNet来学习特征，包含5个卷积层和2个全连接层，利用大数据集训练一个分类器，比如著名的ImageNet比赛的数据集，来训练AlexNet，保存其中的模型参数。

3.微调

AlexNet是针对ImageNet训练出来的模型，卷积部分可以作为一个好的特征提取器，后面的全连接层可以理解为一个好的分类器。R-CNN需要在现有的模型上微调卷积参数。

4.SVM分类器

针对每个类别训练一个SVM的而分类器。比如：猫的SVM分类器，输入维度是2000*4096，目标还是之前第一步标记是否属于该类别猫，训练结果是得到SVM的权重矩阵W，W的维度是4096*20

5.BBox回归器训练

只对那些跟ground truth的IoU超过某个阈值且IOU最大的region proposal回归，其余的region proposal不参与。

四：R-CNN测试过程

1.输入一张图像，利用selective search得到2000个region proposal

2.对所有region proposal变换到固定尺寸并作为以训练好的CNN网络的输入，每个复选框得到4096维特征

3.采用已训练好的每个类别的svm分类器对提取到的特征打分，所以SVM的weight matrix是4096 N，N是类别数，这里一共有20个SVM，得分矩阵是200020

4.采用non-maximun suppression（NMS）去掉候选框

5.第上一步得到region proposal进行回归

五：总结

缺点：

1、训练阶段多：步骤繁琐: 微调网络+训练SVM+训练边框回归器。
2、训练耗时：占用磁盘空间大：5000张图像产生几百G的特征文件。（VOC数据集的检测结果，因为SVM的存在）
3、处理速度慢: 使用GPU, VGG16模型处理一张图像需要47s。
4、图片形状变化：候选区域要经过crop/warp进行固定大小，无法保证图片不变形

六：SPPNet

SPPNet主要有两点改进：1.减少卷积计算，2.防止图片内容变形

1.映射

原始图片经过CNN变成了feature map,原始图片通过选择性搜索（SS）得到了候选区域，现在需要将基于原始图片的候选区域映射到feature map中的特征向量。映射过程图参考如下：

假设(x′,y′)(x′,y′)表示特征图上的坐标点，坐标点(x,y)表示原输入图片上的点，那么它们之间有如下转换关系，这种映射关心与网络结构有关：(x,y)=(S∗x′,S∗y′)

左上角的点：x′=[x/S]+1

右下角的点：x′=[x/S]-1

S是CNN中所有步数的乘积，包括了池化中的步数，卷积中的步数

2.spatial pyramid pooling

通过spatial pyramid pooling 将任意大小的特征图转换成固定大小的特征向量

示例：假设原图输入是224x224，对于conv出来后的输出是13x13x256的，可以理解成有256个这样的Filter，每个Filter对应一张13x13的feature map。接着在这个特征图中找到每一个候选区域映射的区域，spp layer会将每一个候选区域分成1x1，2x2，4x4三张子图，对每个子图的每个区域作max pooling，得出的特征再连接到一起，就是(16+4+1)x256的特征向量,接着给全连接层做进一步处理，如下图：