DAY8:Faster-R-CNN简单理解

2023-12-22 14:43:40

一、Faster-R-CNN

经过R-CNN和Fast-R-CNN的积淀，Ross B. Girshick在2016年提出了新的Faster RCNN，在结构上，Faster RCNN已经将特征提取(feature extraction)，proposal提取，bounding box regression(rect refine)，classification都整合在了一个网络中，使得综合性能有较大提高，在检测速度方面尤为明显。

Faster R-CNN最突出的贡献就在于提出了Region Proposal Network（RPN）代替了Selective Search，从而将候选区域提取的时间开销几乎降为0。

二、R-CNN、Fast-R-CNN、Faster-R-CNN比较

（一）R-CNN

1、利用selective search 算法在图像中从上到下提取2000个左右的Region Proposal
2、将每个Region Proposal缩放(warp)成227*227的大小并输入到CNN，生成feature map
3、将每个Region Proposal提取的feature map输入到SVM进行分类
4、对于SVM分好类的Region Proposal做边框回归，用Bounding box回归值校正原来的建议窗口，生成预测窗口坐标

（二）Fast-R-CNN

1、输入图片，通过ss算法得到2000个建议框

2、将图片输入到网络，经过卷积迟化得到特征图

3、根据原图中建议框到特征图映射关系，在特征图中找到每个建议框对应的特征框。

4、通过ROI Pooling层缩放到7x7大小的特征图，在经过全连接层得到固定大小的特征向量。

5、随后会并联输入两个全链接层，其中一个负责目标概率预测，一个负责候选框边界回归

6、最后得到两个输出分别是经过Softmax的分类输出和Bounding-box窗口回归输出

（三）Faster-R-CNN

1、将整张图片输入CNN，进行特征提取；
2、用RPN先生成一堆Anchor box，对其进行裁剪过滤后通过softmax判断anchors属于前景(foreground)或者后景(background)，即是物体or不是物体，所以这是一个二分类；同时，另一分支bounding box regression修正anchor box，形成较精确的proposal（注：这里的较精确是相对于后面全连接层的再一次box regression而言）
3、把建议窗口映射到CNN的最后一层卷积feature map上；
4、通过RoI pooling层使每个RoI生成固定尺寸的feature map；
5、利用Softmax Loss(探测分类概率) 和Smooth L1 Loss(探测边框回归)对分类概率和边框回归(Bounding box regression)联合训练.

三、算法流程

Faster-R-CNN主要分为一下四个模块：CNN、RPN、Rol Pooling、Classification

（一）CNN

将输入图片经过预训练cnn网络（vgg16）后得到feature map

（二）RPN

1、anchor

对特征图像上的每个点人为设置9个anchor ，选定了3种不同scale（1:1 , 1:2 , 2:1）

conv5层num_output=256，对应生成256张特征图，所以相当于feature map每个点都是256-dimensions。conv5之后，做了rpn_conv/3x3卷积且num_output=256，相当于每个点又融合了周围3x3的空间信息，同时256-d不变。

假设在conv5 feature map中每个点上有k个anchor（默认k=9），而每个anhcor要分positive和negative，所以每个点由256d feature转化为cls=2•k scores；而每个anchor都有(x, y, w, h)对应4个偏移量，所以reg=4•k coordinates

2、RPN网络结构

RPN网络结构

如图所示将输入的feature先经过3×3的卷积进行特征的进一步提取，然后分为两支：（rpn_cls）上面一直进行通过softmax二分类；（rpn_bbox）下面一支进行计算对于anchors的bounding box regression偏移量，以获得精确的proposal。而最后的Proposal层则负责综合positive anchors和对应bounding box regression偏移量获取proposals，同时剔除太小和超出边界的proposals。

rpn_cls：样本分类

如果anchor box与ground truth的IoU值最大，标记为正样本，label=1
如果anchor box与ground truth的IoU>0.7，标记为正样本，label=1
如果anchor box与ground truth的IoU<0.3，标记为负样本，label=0
剩下的既不是正样本也不是负样本，不用于最终训练，label=-1

rpn_bbox：bounding box regression

绿色框为飞机的Ground Truth(GT)，红色为提取的positive anchors，即便红色的框被分类器识别为飞机，但是由于红色的框定位不准，这张图相当于没有正确的检测出飞机。所以我们希望采用一种方法对红色的框进行微调，使得positive anchors和GT更加接近。我们的目标是寻找一种关系，使得输入原始的anchor A经过映射得到一个跟真实窗口G更接近的回归窗口G'，即

采用以下思想：（具体看：https://zhuanlan.zhihu.com/p/31426458）

3、去除冗余框

接着进一步对Anchors进行越界剔除和使用nms非最大值抑制。最后留下大约2000个anchor，然后再取前N个box（比如300个）；这样，进入到下一层ROI Pooling时region proposal大约只有300个。

（三）Rol Pooling

ROI pooling layer只需要下采样到一个7x7的特征图.对于VGG16网络conv5_3有512个特征图，这样所有region proposal对应了一个77512维度的特征向量作为全连接层的输入。（Fast-R-CNN有介绍过算法思想）

为什么要pooling成7×7的尺度？是为了能够共享权重。Faster RCNN除了用到VGG前几层的卷积之外，最后的全连接层也可以继续利用。当所有的RoIs都被pooling成（512×7×7）的feature map后，将它reshape 成一个一维的向量，就可以利用VGG16预训练的权重，初始化前两层全连接。