深度学习论文笔记:Fast R-CNN

知识点

  • mAP:detection quality.

Abstract

  • 本文提出一种基于快速区域的卷积网络方法(快速R-CNN)用于对象检测。
  • 快速R-CNN采用多项创新技术来提高训练和测试速度,同时提高检测精度。
  • 采用VGG16的网络:VGG: 16 layers of 3x3 convolution interleaved with max pooling + 3 fully-connected layers

Introduction

  • 物体检测相对于图像分类是更复杂的,应为需要物体准确的位置。
    • 首先,必须处理许多候选对象位置(通常称为“proposal”)。
    • 其次,这些候选者只提供粗略的定位,必须进行精确定位才能实现精确定位。
    • 这些问题的解决方案经常损害 速度准确性简单性

R-CNN and SPPnet

  • R-CNN(Region-based Convolution Network)具有几个显著的缺点:
    • 训练是一个多级管道。
    • 训练在空间和时间上是昂贵的。
    • 物体检测速度很慢。
  • R-CNN是慢的,因为它对每个对象proposal执行ConvNet正向传递,而不共享计算(sharing computation)。
  • Spatial pyramid pooling networks(SPPnets),利用sharing computation对R-CNN进行了加速,但是SPPnets也具有明显的缺点,像R-CNN一样,SPPnets也需要:
    • 训练是一个多阶段流程,
    • 涉及提取特征,
    • 用对数损失精简网络
    • 训练SVM
    • 赋予边界框回归。
    • 特征也需要也写入磁盘。
  • 但与R-CNN 不同 ,在[11]中提出的fine-tuning算法不能更新在空间金字塔池之前的卷积层。 不出所料,这种限制(固定的卷积层)限制了非常深的网络的精度。

Contributions

  • Fast R-CNN优点:
  1. 比R-CNN,SPPnet更高的检测质量(mAP)
  2. 训练是单阶段的,使用多任务损失(multi-task loss)
  3. 训练可以更新所有网络层
  4. 特征缓存不需要磁盘存储

Fast R-CNN architecture and training

  • 整体框架
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  • 快速R-CNN网络将整个图像一组object proposals作为输入。

    • 网络首先使用几个卷积(conv)和最大池层来处理整个图像,以产生conv feature map。
    • 然后,对于每个对象proposal, 感兴趣区域(RoI)池层 从特征图中抽取固定长度的特征向量。
    • 每个特征向量被馈送到完全连接(fc)层序列,其最终分支成两个同级输出层:
      • 一个产生对K个对象类加上全部捕获的“背景”类的softmax概率估计(one that produces softmax probability estimates over K object classes plus a catch-all “background” class)
      • 另一个对每个K对象类输出四个实数,每组4个值编码提炼定义K个类中的一个的的边界框位置。(another layer that outputs four real-valued numbers for each of the K object classes. Each set of 4 values encodes refined bounding-box positions for one of the K classes.)

The RoI pooling layer

  • Rol pooling layer的作用主要有两个:
    • 一个是将image中的RoI定位到feature map中对应patch
    • 另一个是用一个单层的SPP layer将这个feature map patch下采样为大小固定的feature再传入全连接层。
  • RoI池层使用最大池化将任何有效的RoI区域内的特征转换成具有H×W(例如,7×7)的固定空间范围的小feature map,其中H和W是层超参数 它们独立于任何特定的RoI。
  • 在本文中,RoI是conv feature map中的一个矩形窗口。
  • 每个RoI由定义其左上角(r,c)及其高度和宽度(h,w)的四元组(r,c,h,w)定义。
  • RoI层仅仅是Sppnets中的spatial pyramid pooling layer的特殊形式,其中只有一个金字塔层.

Initializing from pre-trained networks

  • 用了3个预训练的ImageNet网络(CaffeNet/ VGG_CNN_M_1024 /VGG16)。预训练的网络初始化Fast RCNN要经过三次变形:
  1. 最后一个max pooling层替换为RoI pooling层,设置H’和W’与第一个全连接层兼容。
  2. 最后一个全连接层和softmax(原本是1000个类)替换为softmax的对K+1个类别的分类层,和bounding box 回归层。
  3. 输入 大专栏  深度学习论文笔记:Fast R-CNN修改为两种数据:一组N个图形,R个RoI,batch size和ROI数、图像分辨率都是可变的。

Fine-tuning for detection

  • 利用反向传播算法进行训练所有网络的权重是Fast R-CNN很重要的一个能力。

  • 我们提出了一种更有效的训练方法,利用在训练期间的特征共享(feature sharing during training)。

  • 在Fast R-CNN训练中, 随机梯度下降(SGD)小批量分层采样 ,首先通过采样N个图像,然后通过从每个图像采样 R/N个 RoIs。

  • 关键的是,来自同一图像的RoI在向前和向后传递中 共享计算 和存储。

  • 此外为了分层采样,Fast R-CNN使用了一个流水线训练过程,利用一个fine-tuning阶段来联合优化一个softmax分类器和bounding box回归,而非训练一个softmax分类器,SVMs,和regression在三个独立的阶段。

  • Multi-task loss:

    • 两个sibling输出层:
      • 第一层:输出离散概率分布(针对每个RoIs),$p=(p_0,…,p_K)$,分别对应$K+1$个类。p是在一个全连接层的$K+1$个输出上的softmax。
      • 第二层:输出bounding-box的回归偏移(bounding-box regression offsets),针对K object classes中的每一个类,计算$t^k=(t^k_x,t^k_y,t^k_w,t^k_h)$,具体见R-CNN得补充材料,里面有很详细的介绍bounding box regression
    • 每一个训练RoIs被标注一个ground truth类$u$,和一个ground truth bounding box 回归目标$v$。
    • 两个loss,以下分别介绍:
      • 对于分类loss,是一个N+1路的softmax输出,其中的N是类别个数,1是背景。
      • 对于回归loss,是一个4xN路输出的regressor,也就是说对于每个类别都会训练一个单独的regressor的意思,比较有意思的是,这里regressor的loss不是L2的,而是一个平滑的L1,形式如下:

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  • 我们利用一个multi-task loss L 在每个被标注的RoI上来联合训练分类器和bounding box regression

  • Mini-batch sampling:在微调时,每个SGD的mini-batch是随机找两个图片,R为128,因此每个图上取样64个RoI。从object proposal中选25%的RoI,就是和ground-truth交叠至少为0.5的。剩下的作为背景。

  • Back-propagation through RoI pooling layers:

    • RoI pooling层计算损失函数对每个输入变量x的偏导数,如下:

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      y是pooling后的输出单元,x是pooling前的输入单元,如果y由x pooling而来,则将损失L对y的偏导计入累加值,最后累加完R个RoI中的所有输出单元。下面是我理解的x、y、r的关系:

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Scale invariance

  • 这里讨论object的scale问题,就是网络对于object的scale应该是要不敏感的。这里还是引用了SPP的方法,有两种:
    • brute force (single scale),也就是简单认为object不需要预先resize到类似的scale再传入网络,直接将image定死为某种scale,直接输入网络来训练就好了,然后期望网络自己能够学习到scale-invariance的表达。
    • image pyramids (multi scale),也就是要生成一个金字塔,然后对于object,在金字塔上找到一个大小比较接近227x227的投影版本,然后用这个版本去训练网络。
  • 可以看出,2应该比1更加好,作者也在5.2讨论了,2的表现确实比1好,但是好的不算太多,大概是1个mAP左右,但是时间要慢不少,所以作者实际采用的是第一个策略,也就是single scale。
  • 这里,FRCN测试之所以比SPP快,很大原因是因为这里,因为SPP用了2,而FRCN用了1。

Fast R-CNN detection

  • 大型全连接层很容易的可以通过将他们与 truncated SVD(奇异值分解) 压缩来加速计算。

Main results

  • All Fast R-CNN results in this paper using VGG16 fine-tune layers conv3 1 and up; all experments with models S and M fine-tune layers conv2 and up.

Design evaluation

Do we need more training data?

  • 在训练期间,作者做过的唯一一个数据增量的方式是水平翻转。 作者也试过将VOC12的数据也作为拓展数据加入到finetune的数据中,结果VOC07的mAP从66.9到了70.0,说明对于网络来说, 数据越多就是越好的。
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