【目标识别学习笔记系列】四、Faster RCNN论文理解
本文主要转载自：https://blog.****.net/shenxiaolu1984/article/details/51152614
Faster RCNN算法详解
本文是继RCNN[1]，fast RCNN[2]之后，目标检测界的领军人物Ross Girshick团队在2015年的又一力作。简单网络目标检测速度达到17fps，在PASCAL VOC上准确率为59.9%；复杂网络达到5fps，准确率78.8%。
思想
从RCNN到fast RCNN，再到本文的faster RCNN，目标检测的四个基本步骤（候选区域生成，特征提取，分类，位置精修）终于被统一到一个深度网络框架之内。所有计算没有重复，完全在GPU中完成，大大提高了运行速度。
faster RCNN可以简单地看做“区域生成网络+fast RCNN“的系统，用区域生成网络代替fast RCNN中的Selective Search方法。本篇论文着重解决了这个系统中的三个问题：
1. 如何设计区域生成网络
2. 如何训练区域生成网络
3. 如何让区域生成网络和fast RCNN网络共享特征提取网络
区域生成网络：结构
基本设想是：在提取好的特征图上，对所有可能的候选框进行判别。由于后续还有位置精修步骤，所以候选框实际比较稀疏。
特征提取
原始特征提取（上图灰色方框）包含若干层conv+relu，直接套用ImageNet上常见的分类网络即可。本文试验了两种网络：5层的ZF[3]，16层的VGG-16[4]，具体结构不再赘述。
额外添加一个conv+relu层，输出51*39*256维特征（feature）。
特征可以看做一个尺度51*39的256通道图像，对于该图像的每一个位置，考虑9个可能的候选窗口：三种面积{1282,2562,5122}三种比例{1:1,1:2,2:1}。这些候选窗口称为anchors。下图示出51*39个anchor中心，以及9种anchor示例。
窗口分类和位置精修
分类层（cls_score）输出每一个位置上，9个anchor属于前景和背景的概率；窗口回归层（bbox_pred）输出每一个位置上，9个anchor对应窗口应该平移缩放的参数。
对于每一个位置来说，分类层从256维特征中输出属于前景和背景的概率；窗口回归层从256维特征中输出4个平移缩放参数。
就局部来说，这两层是全连接网络；就全局来说，由于网络在所有位置（共51*39个）的参数相同，所以实际用尺寸为1×1的卷积网络实现。
区域生成网络：训练
考察训练集中的每张图像：
a. 对每个标定的真值候选区域，与其重叠比例最大的anchor记为前景样本
b. 对a)剩余的anchor，如果其与某个标定重叠比例大于0.7，记为前景样本；如果其与任意一个标定的重叠比例都小于0.3，记为背景样本
c. 对a),b)剩余的anchor，弃去不用。
d. 跨越图像边界的anchor弃去不用
同时最小化两种代价：
a. 分类误差
b. 前景样本的窗口位置偏差
具体参看fast RCNN中的“分类与位置调整”段落。
原始特征提取网络使用ImageNet的分类样本初始化，其余新增层随机初始化。
每个mini-batch包含从一张图像中提取的256个anchor，前景背景样本1:1.
前60K迭代，学习率0.001，后20K迭代，学习率0.0001。
momentum设置为0.9，weight decay设置为0.0005。[5]
区域生成网络（RPN）和fast RCNN都需要一个原始特征提取网络（下图灰色方框）。这个网络使用ImageNet的分类库得到初始参数W0，但要如何精调参数，使其同时满足两方的需求呢？本文讲解了三种方法。
轮流训练
a. 从W0开始，训练RPN。用RPN提取训练集上的候选区域
b. 从W0开始，用候选区域训练Fast RCNN，参数记为W1
c. 从W1开始，训练RPN…
具体操作时，仅执行两次迭代，并在训练时冻结了部分层。论文中的实验使用此方法。
如Ross Girshick在ICCV 15年的讲座Training R-CNNs of various velocities中所述，采用此方法没有什么根本原因，主要是因为”实现问题，以及截稿日期“。
直接在上图结构上训练。在backward计算梯度时，把提取的ROI区域当做固定值看待；在backward更新参数时，来自RPN和来自Fast RCNN的增量合并输入原始特征提取层。
此方法和前方法效果类似，但能将训练时间减少20%-25%。公布的python代码中包含此方法。
直接在上图结构上训练。但在backward计算梯度时，要考虑ROI区域的变化的影响。推导超出本文范畴，请参看15年NIP论文[6]。
实验
除了开篇提到的基本性能外，还有一些值得注意的结论：
与Selective Search方法（黑）相比，当每张图生成的候选区域从2000减少到300时，本文RPN方法（红蓝）的召回率下降不大。说明RPN方法的目的性更明确。
使用更大的Microsoft COCO库[7]训练，直接在PASCAL VOC上测试，准确率提升6%。说明faster RCNN迁移性良好，没有over fitting。
整体网络结构图：
对于RPN结构的解释：
注意：上图中卷积层/全连接层表示卷积层或者全连接层，作者在论文中表示这两层实际上是全连接层，但是网络在所有滑窗位置共享全连接层，可以很自然地用n×n卷积核【论文中设计为3×3】跟随两个并行的1×1卷积核实现。
功能：实现attention机制，如图所示，RPN在CNN卷积层后增加滑动窗口操作以及两个卷积层完成区域建议功能，第一个卷积层将特征图每个滑窗位置编码成一个特征向量，第二个卷积层对应每个滑窗位置输出k个区域得分和k个回归后的区域建议，并对得分区域进行非极大值抑制后输出得分Top-N【文中为300】区域，告诉检测网络应该注意哪些区域，本质上实现了Selective Search、EdgeBoxes等方法的功能。
具体实现：
①首先套用ImageNet上常用的图像分类网络，本文中试验了两种网络：ZF或VGG-16，利用这两种网络的部分卷积层产生原始图像的特征图；
② 对于①中特征图，用n×n【论文中设计为3×3，n=3看起来很小，但是要考虑到这是非常高层的feature map，其size本身也没有多大，因此9个矩形中，每个矩形窗框都是可以感知到很大范围的】的滑动窗口在特征图上滑动扫描【代替了从原始图滑窗获取特征】，每个滑窗位置通过卷积层1映射到一个低维的特征向量【ZF网络：256维；VGG-16网络：512维，低维是相对于特征图大小W×H，typically~60×40=2400】后采用ReLU，并为每个滑窗位置考虑k种【论文中k=9】可能的参考窗口【论文中称为anchors，见下解释】，这就意味着每个滑窗位置会同时预测最多9个区域建议【超出边界的不考虑】，对于一个W×H的特征图，就会产生W×H×k个区域建议；
③步骤②中的低维特征向量输入两个并行连接的卷积层2：reg窗口回归层【位置精修】和cls窗口分类层，分别用于回归区域建议产生bounding-box【超出图像边界的裁剪到图像边缘位置】和对区域建议是否为前景或背景打分，这里由于每个滑窗位置产生k个区域建议，所以reg层有4k个输出来编码【平移缩放参数】k个区域建议的坐标，cls层有2k个得分估计k个区域建议为前景或者背景的概率
同传统滑窗方法提取区域建议方法相比，RPN网络有什么优势？
传统方法是训练一个能检测物体的网络，然后对整张图片进行滑窗判断，由于无法判断区域建议的尺度和长宽比，所以需要多次缩放，这样找出一张图片有物体的区域就会很慢；
虽然RPN网络也是用滑动窗口策略，但是滑动窗口实在卷积层特征图上进行的，维度较原始图像降低了很多倍【中间进行了多次max pooling 操作】,RPN采取了9种不同尺度不同长宽比的anchors，同时最后进行了bounding-box回归，即使是这9种anchors外的区域也能得到一个跟目标比较接近的区域建议。
Anchors为什么考虑以上三种尺度和长宽比？
文中对Anchors的尺度以及长宽比选取进行了实验，如下图所示：
实验实在VGG-16模型下，采用PASCAL VOC 2007训练集和PASCAL VOC 2007测试集得到。相比于只采用单一尺度和长宽比，单尺度多长宽比和多尺度单长宽比都能提升mAP，表明多size的anchors可以提高mAP，作者在这里选取了最高mAP的3种尺度和3种长宽比。
如何处理多尺度多长宽比问题？即如何使24×24和1080×720的车辆同时在一个训练好的网络中都能正确识别？
文中展示了两种解决多尺度多长宽比问题：一种是使用图像金字塔，对伸缩到不同size的输入图像进行特征提取，虽然有效但是费时；
另一种是使用滤波器金字塔或者滑动窗口金字塔，对输入图像采用不同size的滤波器分别进行卷积操作，这两种方式都需要枚举图像或者滤波器size；
作者提出了一种叫Anchors金字塔的方法来解决多尺度多长宽比的问题，在RPN网络中对特征图滑窗时，对滑窗位置中心进行多尺度多长宽比的采样，并对多尺度多长宽比的anchor boxes区域进行回归和分类，利用Anchors金字塔就仅仅依赖于单一尺度的图像和特征图和单一大小的卷积核，就可以解决多尺度多长宽比问题，这种对推荐区域采样的模型不管是速度还是准确率都能取得很好的性能。
图像Scale细节问题？
文中提到训练和检测RPN、Fast R-CNN都使用单一尺度，统一缩放图像短边至600像素；
在缩放的图像上，对于ZF网络和VGG-16网络的最后卷积层总共的步长是16像素，因此在缩放前典型的PASCAL图像上大约是10像素【~500×375；600/16=375/10】。
网上关于Faster R-CNN中三种尺度这么解释：
原始尺度：原始输入的大小，不受任何限制，不影响性能；
归一化尺度：输入特征提取网络的大小，在测试时设置，源码中opts.test_scale=600。anchor在这个尺度上设定，这个参数和anchor的相对大小决定了想要检测的目标范围；
网络输入尺度：输入特征检测网络的大小，在训练时设置，源码中为224×224。