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前言
SSD作为One-Stage系列的论文，如今已经作为基本网络被广泛应用于物体检测中，也很多网络结构是建立在其基础上的改进网络。
当前的Objection Detection架构的两个派系：
- Two-Stage:基于Region Proposal和CNN网络分类回归方式:RCNN->SPPnet->MulriBox->Faster RCNN，该方案的优势在于检测精度高，但是计算量大，实时性差。
- 滑窗方式:没有Region-Proposal的过程，直接通过Bounding-Box和类别confidence的估计:OverFet->Yolo->SSD
论文基本信息
作者信息：
- 一作：WeiLiu, UNC Chapel Hill在读PhD
- 通讯: Alexander C. Berg, UNC Chapel Hill AP, SHapagon CTO, 引用2.7k
论文背景以及基本思想(Motivation & Contribution)
简述其他框架:简述two-stage的RCNN系列和one-stage的YOLO系列。
- RCNN：Region-based Convolution Neural Network，主要包括三步：Selective Search找到Region Proposals(大约2000)，在每个region上面运行CNN，将每个CNN的输出结果接入到一个SVM进行分类以及一个线性回归进行bounding box的回归
- Faster-RCNN：先了解Fast RCNN:Fast RCNN先对输入图片导入一个CNN网络得到feature，再在feature的基础上通过Proposal method得到Regions，采用了ROI Pooling，fc之后以Softmax层替代SVM，Linear回归得到box,除了前置Region Proposal的提取过程外，其他部分都能实现端到端的训练。Fater RCNN在Fast RCNN的基础上，以RPN替代了Proposal method，将得到的ROIS和CNN得到的features接到ROI Pooling和若干全连接层，最后通过softmax分类和bounding box回归得到框，实现了整体网络的端到端训练。
- YOLO：YOLO采用的是One-stage的检测方式，将目标检测认为是一个回归问题。Yolo的CNN网络将输入 图片分割成S×S网格，然后每个单元负责检测落在该格子内的目标，每个单元会预测B个预测框，以及边界框对类别的置信度。通过前期各层的卷积层输出得到特征图，最后接到两个全连接层，经过reshape得到之前网格的框图预测输出。
- SSD的改进思路：SSD避免了采用Faster RCNN的结合RPN和Fast RCNN的方式，而是通过一系列设定得到的boxes对应不同尺度的feature图，实现了end-end的网络结构，使得模型的训练更为简单，模型检测速度更快。相对于YOLO，SSD更加灵活地运用了default boxes（不同大小，不同长宽比），在base网络后连接卷积得到不同尺度的feature图，能够结合不同scale的feature进行预测，对不同尺度的featue图直接通过卷积层输出进行训练和预测，同时用卷积方式替代fc，使得不同尺度下的检测精度更高。
算法基本流程
SSD算法框架:
SSD模型主要分为以下几个部分:
- Multi-scale feature maps for detection:backbone采用基础网络结构(VGG),本文修改了backbone的最后几层结构，同时引入了额外的卷积层用于抽取不同scale尺度的feature
- Convolutional predictions for detection:对于每个feature map(假设size为m*n*p)，通过3*3*p的卷积核生成预测value，包括预测位置的相对值(相对feature map像素对应的原图位置)以及confidence等
- Default boxes and aspect ratios:每层的feature map设置有默认大小和长宽比的default boxes，feature map上的每个位置会基于deafault box作相对位置和大小的估计以及类别score的估计。对于size为m*n的feature map，其最终的预测结果为(c+4)kmn，其中c为类别数目，4为位置偏移值和大小偏移值，k为default box数目(不同scale的feature map的k值有所不同，如conv102和conv112采用k=4,余下为6)。
算法细节
Traing
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Matching strategy:区别于MultiBox，SSD对所有与GT的IOU阈值大于0.5的default box作为positive，即default box与GT是多对一的关系，而不是MultiBox的取最大IOU的一对一的关系
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Loss设计：Loss主要分为两个部分:localization loss和confidence loss:
其中，N为匹配上的box数目，如N=0，则loss=0。localization loss采用的是L1 loss，localization loss包括(cx,cy,w,h)，即中心位置和宽，长四部分loss，confidence loss采用的是softmax loss。
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Choosing scales and aspect ratios for detection:不同尺度的ferature map拥有不同的感受野，所有应当设计不同大小的default box。SSD采用的default box大小设计如下:
其中，smin为0.2，smax为0.9,长宽比设计为ar={1,2,3,1/2,1/3} -
Hard negative mining:策略为按照confidence loss进行排序，保持正负样本为1:3。
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Data augmentation:采用的ramdom crop策略:
- 输入原始大小的输入图片
- 在输入图片上进行Sampel得到patch，满足与objects的最小jaccard overlap为0.1,0.3,0.5,0.7 or 0.9
- 随机Sample得到patch
sample得到的patch大小为[0.1,1],长宽比为1/2,2，保留中心点在sampled patch的box。得到的patch会被resize到固定size，并且采用horizontally flip(probability 0.5),photo-metrix distortions等增强。
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Base network:在VGG的基础上，进行了一系列的改动:fc6, fc7替换为卷积层，pool5替换2x2-s2为3x3-s1，同时采用空洞卷积，去除所有drop-out层和fc8层。
实验结果
- PASCAL VOC2007 test detection results:SSD在大物体上性能很好，小物体上性能略差(因为物体过小的话，在前面的feature层也不一定有足够的信息)，增大输入size能提升小物体性能。
- 模型各模块性能分析:
主要为以下三个结论:
- Data Augumentation：单就数据增强这一项提升了8.8mAP，作者认为faster-rcnn因为采用了feature pooling step，所以对数据的translation更鲁棒，所以数据增强对faster-rcnn的收益不打，这点需要存疑，因为random-crop的增强策略不单单是物体的translation的变化。
- More default box shapes:更多的aspect box的设计会涵盖更多的尺寸的的deafault box,有利于模型预测多尺寸的物体
- Atrous is faster:采用空洞卷积的方式能够在不降低性能的情况下，加快20%
- SSD512在animals,vehicles,furniture三类上在VOC2007上的性能:
- BBox尺寸对各类性能的影响：同一类的小物体性能明显较差
- Multiple output layers at different resolutions:在多尺度feature map上进行预测能够获得更好的性能，同时保留边界box性能会更好(在引入后续更高level的feature层后):
- PASCALVOC2012:结论与VOC2007上类似:
- COCO:SSD这里采用了更小的default box尺寸，相比faster-rcnn来说，其在小物体上的性能略差:
- Data Augumentation for Small Object Accuracy:针对小物体，提出了"zoom out"的ramdom-expansion的增强方式:先将图片随机放置到16Xsize的画布上，再进行random crop操作，能明显提升小物体的性能:
- Inference time:SSD在得到网络的prediction结果后需要进一步的NMS，耗时1.7msec per image for SSD300 and 20 VOC classes,模型整体Infer时间对比如下：
小结
整体上SSD的网络设计还是非常简单可行的，One-Stage的方案在模型精确度和速度上实现了比较好的Trade-off，multi-scale-prediction的设计是其主要的贡献点。但是，论文中的数据增强对模型的性能提升很大，认为可能是本身数据集数据量不足的影响，与没有作相关数据增强的Faster-rcnn进行对比稍微有点不公平.