论文阅读 || 目标检测系列 —— Faster RCNN详解

最新推荐文章于 2025-02-20 23:18:04 发布

magic_ll

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1 Faster RCNN操作流程

1. 卷积层（conv layer）：【输入为整张图片，输出为提取的feature map】用于提取图片的特征，比如VGG16。
2. RPN模块（Region Proposal Network）：【输入为feature map，输出为候选区域】。这里替代之前的search selective。
- 首先生成很多Anchor box，对其进行裁剪过滤后通过softmax判断anchor属于前景(foreground)或者后景(background)，属于二分类；
- 另一分支bbox regression来修正anchor box，形成较精确的proposal。
3. RoI pooling（与Fast RCNN中相同）：【输入为feature map】用于将不同大小的输入转换为固定长度的输出。
4. Classify + Bbox Regression：【输出候选区域所属的类，和其在图像中的精确位置】

1.1 基准网络（base block）

Faster RCNN的特征提取模块使用的是VGG16（去掉了pool5及fc层）：

13个conv层【kernel_size=3，padding=1】：卷积层不会改变feature map的大小
13个relu层。
4个pooling层【kernel_size=2，padding=2】。pooling层改变feature map的大小，为原来的1/2。总共4层pooling，所以图片下采样率 $S=2^{4}=16$

Faster RCNN支持任意尺寸的输入，上图中input size=(P,Q)。

首先进行规范化尺寸，在检测时会将最小边缩放到600，最大边不超过1000。假定M*N=1000*600，经过基准网络VGG16的卷积模块，feature map的size为 60*40（1000/16~60, 600/16~40）。则feature map的维度为60*40*512（512为channel）。

1.2 RPN block

经典的检测方法生成候选框都很耗时：OpenCV asaboost使用的滑动窗口+图像金字塔生成检测框、RCNN中使用Selective Search生成检测框。
Faster RCNN直接使用RPN（CNN）生成检测框，极大提升了检测框的生成速度。

接下来是网络这样设计的详细介绍

1.2.1 Anchor boxes的生成规则

对于图像里目标检测边界框
【方法1】训练一个回归任务，输出4个值代表边界框的(xmin, ymin, xmax, ymax)。这种方法存在问题：(1) 图像中的目标尺寸存在多尺度。常见的均方差作为loss难以训练。(2)实际预测时，无法保证xmin<xmax。

【方法2】预先设定好候选框，然后学习真实的bbox与候选框的偏移量。例：获取box：xcenter、ycenter、width、height，网络标签为Δxcenter、Δycenter、Δwidth、Δheight。偏移量一般数值较小且处于同一量级，网络可以很好的学习

！！！所以就要进行候选框的预设定的操作，也就是下面的anchor boxes的生成。

经过基准网络后，得到feature map的大小为 w*h，作为RPN的输入。
【anchor】feature map上的任意一个元素。用滑动窗口(conv)扫过feature map，滑动窗口的中心就是anchor，此中心会遍历feature map的每一个元素，所以anchor是遍历feature map上的每个元素。由于特征图和原始图像之间存在比例关系，在特征图上面密集的点对应到原始图像上面是有16个像素的间隔，如下图所示：

【anchor boxes】以base_anchor在input map上的映射点为中心构建的框
需要注意的是，anchor是基于feature map定义的，但anchor boxes是相对于原始图片的。

【RPN制作标签流程如下】：

1. RPN的输入feature map ，选定某一个元素为anchor。
2. 找到base_anchor在input map上的映射点（对应感受野的中心）：input_size=(W,H)，output_size=(w, h)。经过基准网络的下采样率S（所有pooling层的步长累乘）。则有W=S*w，H=S*h。假设anchor的为(x,y)，对应的anchor boxes的中心为(S*x, S*y)。
3. 以映射点为中心，使用3个尺度(面积)和3个长宽比，生成 k=9个anchor boxes。anchor boxes的尺寸是根据输入图像尺寸定义的
- 在代码实现中，def generate_anchors(base_size=16, ratios=[0.5, 1, 2], scales=2**np.arange(3, 6))
- 明确的得知，在feature map中的基础大小为16，多宽高比例为[0.5, 1, 2]，多尺度为[16*8=128, 16*16=256, 16*32=512]，也就是feature map中16*16大小的anchor box，通过宽高比变换和多尺度变换，对应于原图中的region proposal。
  
  此时由三种面积（128*128，256*256，512*512）和三种长宽比（1:1, 1:2, 2:1）

4. 边界框对应的两种标签：分类+回归
- cls中对应的有2k个输出，代表k个边界框内是否为物体。这里不关心object的类别，只关心是object还是background
- reg中对应的有4k个输出，代表k个边界框的坐标和真实检测框的坐标的偏移量。

以上的流程，是对于某一个anchor的操作。

1.2.2 Anchor的特性

【anchor boxes的数量】对于RPN输入feature map的大小为 w*h，对应的有w*h 个anchor、w*h*k个anchor boxes。

【平移不变性】当输入图片中的目标发生平移，但不会影响锚点和提议框的生成。作为比较，MultiBox方法[27]使用的k-means生成800个锚点，如果目标平移，MultiBox生成的提议框可能也会改变。
平移不变性也减小的模型的大小。该层的参数比MultiBox少了两个量级，期望可以在PASCAL VOC上有更小的过拟合

MultiBox有(4+1)*800维的全连接输出层，MultiBox中的GoogleNet为1534*(4+1)*800 = 6.1*10^6 个参数
Faster RCNN中当k=9时有(4+2)*9维的卷积输出层。对于VGG16，具有512*(4+2)*9 = 2.8*10^4 个参数

【多尺度锚点作为回归的参考】多尺度预测的方法

1.基于图像/特征金字塔：例如DPM[8]和基于CNN的方法。图像在多个尺度上进行缩放，针对每个尺度计算特征映射（HOG[8]或者深卷积特征，这种方法有效，但也耗时）。其中HOG并未深入了解
2.特征映射上使用多尺度(或不同长宽比) 的滑动窗口：相当于一个“滤波器金字塔”。这种方法通常和第一种联合使用
3.多尺度锚点的方法（锚点金字塔）：这样可以只依赖单一尺度的图像和特征映射，并使用单一的尺寸和滤波器（特征映射上的滑动窗口）。多尺度锚点设计是共享特征的关键组件，不需要额外的成本来处理尺度，这样更具有成本效益。

Faster RCNN使用了多尺度的锚点、单尺度的卷积层。下面会通过实验对比锚点的多尺度的效果。

1.2.3 RPN的loss function

对feature map上的每个像素分别生成9个anchor boxes，对这些anchor boxes进行过滤和标记。

二分类的label：

1. 去掉超过W*H 即原图边界的anchor boxes
2. 如果anchor boxes 与 ground-truth box 的IoU值最大，标记为正样本，label=1
3. 如果anchor boxes 与 groud-truth boxes 的IoU>0.7，标记为正样本，label=1（当极少情况，这个条件找不到正样本，还是要依赖IoU最大找出正样本）
4. 如果anchor boxes 与 groud-true boxes的IoU<0.3，标记为负样本，label=0
剩余的anchor boxes被舍弃，不用于最终训练，label=-1

检测框偏移量的label：

ground-truth boxes：真实框的中心点的位置( $x^{*},y^{*}$ ) 和宽高 ( $w^{*},h^{*}$ )
anchor boxes：候选框中心点的位置 ( $x_{a},y_{a}$ ) 和宽高 ( $w_{a},h_{a}$ )
predict boxes：RPN预测的检测框的中心位置 () 和宽高 ()

上图中的黑框是anchor box，红框是predict box。实际的框计算示意图同理

所以RPN的loss function如下图

$L_{cls}$ ：使用的是交叉熵。 $p^{*}$ 为标签， $p_{i}$ 为预测。 $N_{cls}$ 是训练时的batchsize=256
$L_{reg}$ ：，使用的是smoothL1（在fast rcnn总结里面的损失函数处有介绍），
$t^{*}$ 为标签， $t_{i}$ 为预测。 $N_{reg}$ 是训练时的batchsize=256， $p^{*}\cdot L_{reg}$ 表示回归算是仅对正锚点激活，否则被禁用。
$\lambda$ ：平衡参数。设置为10，使cls和reg项的权重大致相等。

方程中的两项，通过各自的batchsize进行了归一化。我们通过实验发现：(1) 结果对宽范围的 $\lambda$ 值不敏感[Table9]；(2) 归一化不是必须的，可以简化。

1.2.4 RPN的结构图

概述一下RPN的计算流程：

经过基准网络VGG16后，feature map的大小为原图的1/16【feature map(60*40)的 1*1，对应原图(1000*600)的16*16】（默认k=9）

feature map A，size=(1, 60, 40, 512)
A 经过conv(3*3*512)*512，输出B的 output_size= (1, 60, 40, 512)
分类：B 经过conv(1*1*512)*18，output_size=(1, 60, 40, 18)；在经过reshape，得到Ycls。
回归：B 经过conv(1*1*512)*36，output_size=(1, 60, 40, 36)，得到Yreg。
训练时，也是在这里设置标签，进行RPN的训练
利用Ycls和Yreg，得到很多候选框。经过Proposal层，结合使用NMS筛选出约300个候选框，输入到下一层。

训练时的RPN结构图

红框：不关心基准网络的结构，所以将基准网络用ConvLayers代替，用红框圈出，后续图都如此
紫框：网络结构中部分，其余部分是label训练处理的流程。

rpn-data：（python AnchorTargetLayer）层会按照和test阶段Proposal层完全相同的方法用于训练
rpn_loss_cls：rpn_cls_score_reshape --->> p，rpn_labels -->>p*，Ncls参数被隐含了
rpn_loss_bbox：rpn_bbox_pred -->> t，rpn_bbox_targets -->> t*，rpn_bbox_inside_weight对应为p*。

1.2.4 Proposal layer

综合anchor box、相应的得分、偏移量的信息，使用非极大值抑制 (NMS)，筛选出较为精准的Proposal boxes（对应M*N维度），送入到RoI pooling。

caffe源码中的处理方式：

1. 生成 w*h*9 个anchor box，然后加上RPN的输出Δx、Δy、Δw、Δh，得到了较为更准确的边界框。
2. 根据RPN的输出Ycls (boxes的得分)排序，提取前N(eg. 6000)个修正后的anchors box
3. 候选框超出图像时，限定为图像边界
4. 去除非常小的候选框（w<threshold 或 h<threshold）
5. 使用NMS（对于NMS的介绍，在RCNN中有介绍到）
6. 将剩余的anchor 按照各自的得分排序，选出前W (eg.300) 为Proposal的输出。
7. 将Proposal的输出scores、rois保存在python pickle文件中

RPN的网络结构整体的流程就是
【生成设定的候选框anchor boxes】 --->> 【候选框内的数据的分类+偏移量回归】 --->> 【使用NMS筛选出指定数量的候选框】

1.3.任务模块（task block）

基准模型提取的feature map、RPN提取的Proposal，输入到任务模块中。
为了接受不同尺度的数据，所以需要RoI pooling层，将不同维度的feature map转化成相同维度。所以RoI pooling相当于任务模块的接口。

1.3.1 RoI pooling

在自己总结的Fast R-CNN中，有介绍RoI pooling的相关内容

这里RoI pooling的输入：【原始的feature maps】+【RPN输出的proposal boxes (尺寸不固定)】
这里RoI pooling的输出：固定维度的特征。

在代码实现中，
RoI pooling 的输入为：VGG16最后一层输出的feature map大小 (60,40,512)、RPN层产生的300个proposal boxes。

遍历每个proposal boxes将其坐标值缩小16倍，也就是获取了proposal boxes在特征图上的尺度。
对每个boxes内的特征图，划分成7*7个小区域，每个区域内使用maxpooling

RoI pooling的输出为：300*(7*7*512) 维度的特征（batchsize=300）

看到这里有疑问：(1) 如果boxes中的feature map的尺寸小于7应该怎样处理？(2) 并且输入图中的boxes对应到特征图上的boxes，不是整除的关系；使用7*7得到小区域，也不是一定是整除的关系。两次的向下取整的操作，造成了一定的精度损失，这又该怎样解决呢？

答：(1) 代码中应有处理方式，后续补充。(2) Faster RCNN并未解决该问题，而是在后续的Mask RCNN中得到了优化。

1.3.2 全连接层

RoI pooling层的输出大小为 (300, 7,7,512)，输入到全连接层。分为两个任务

分类：对proposal boxes进行分类，计算具体属于哪一类（人、桌子等）
回归：再次对proposal boxes进行偏移量回归。得到最终的boxes。

训练时的结构图：

蓝框：从前面保存的pickle文件中读取出scores和rois，rois传入网络
绿框：计算bbox_inside_weights+bbox_outside_weights传入soomth_L1_loss（？？？？？？）

2 Faster RCNN的训练

基准网络选择VGG，使用预训练好的参数。实际训练过程的步骤：

(1) 用预训练好的VGG初始化网络，单独训练RPN（训练好后，获取proposal boxes并保存）
(2) 用预训练好的VGG初始化网络，使用上一步的proposal boxes作为输入，训练FasterRCNN。（此时两个网络参数不共享）
(3) 使用(2)中的Faster RCNN网络参数初始化RPN网络。但基准网络VGG权重固定不训练，值更新RPN模块。（此时两个网络共享了共有的卷积层）
(4) 联合训练：固定基准网络VGG权重不训练，RPN block 和 task block同时训练。

这里只是用了类似的2次循环训练。作者表述，循环更多次后效果并没有提升。

2.1 训练RPN网络

基准网络：预训练好的VGG
优化器：SGD
batch：每一个mini-batch包含从一张图片中随机提取的256个anchor（注意不是所有的anchor都用于训练），正样本和负样本比例为1：1。如果图个图片中正样本数小于128，则多用一些负样本以满足256个Proposal训练。

初始化：新增的2层参数用均值为0，标准差为0.01的高斯分布来进行初始化，其余层（都是共享的卷积层，与VGG共有的层）参数用ImageNet分类预训练模型来初始化
参数化设置：个
在PASCAL数据集上：
前60k个mini-batch进行迭代，学习率设置为0.001；
后20k个mini-batch进行迭代，学习率设置为0.0001；
设置动量momentum=0.9，权重衰减为0.0005

画图工具：http://ethereon.github.io/netscope/#/editor

https://blog.youkuaiyun.com/w113691/article/details/78644982