CNN 之物体检测篇

RCNN

Rich feature hierarchies for accurate object detection and semantic segmentation(https://arxiv.org/abs/1311.2524)

早期,使用窗口扫描进行物体识别,计算量大。 RCNN去掉窗口扫描,用聚类方式,对图像进行分割分组,得到多个侯选框的层次组。

  • 原始图片通过Selective Search提取候选框,约有2k个
  • 侯选框缩放成固定大小
  • 经过CNN
  • 经两个全连接后,分类

拓展阅读:基于R-CNN的物体检测-CVPR 2014(http://blog.csdn.net/hjimce/article/details/50187029)

Fast RCNN

Fast R-CNN(https://arxiv.org/abs/1504.08083)

RCNN中有CNN重复计算,Fast RCNN则去掉重复计算,并微调选框位置。

  • 整图经过CNN,得到特征图
  • 提取域候选框
  • 把候选框投影到特征图上,Pooling采样成固定大小
  • 经两个全连接后,分类与微调选框位置

Faster RCNN

Faster R-CNN: Towards Real-Time Object Detection with Region Proposal Networks(https://arxiv.org/abs/1506.01497)

提取候选框运行在CPU上,耗时2s,效率低下。

Faster RCNN使用CNN来预测候选框。

  • 整图经过CNN,得到特征图
  • 经过核为 3×3×256 的卷积,每个点上预测k个anchor box是否是物体,并微调anchor box的位置
  • 提取出物体框后,采用Fast RCNN同样的方式,进行分类
  • 选框与分类共用一个CNN网络

anchor box的设置应比较好的覆盖到不同大小区域,如下图:

一张1000×600的图片,大概可以得到20k个anchor box(60×40×9)。

R-FCN

R-FCN: Object Detection via Region-based Fully Convolutional Networks(https://arxiv.org/pdf/1605.06409v1.pdf)

论文翻译详见:[译] 基于R-FCN的物体检测 (zhwhong)(https://www.jianshu.com/p/db1b74770e52)

RCNN系列(RCNN、Fast RCNN、Faster RCNN)中,网络由两个子CNN构成。在图片分类中,只需一个CNN,效率非常高。所以物体检测是不是也可以只用一个CNN?

图片分类需要兼容形变,而物体检测需要利用形变,如何平衡?

R-FCN利用在CNN的最后进行位置相关的特征pooling来解决以上两个问题。

经普通CNN后,做有 k^2(C+1) 个 channel 的卷积,生成位置相关的特征(position-sensitive score maps)。

C 表示分类数,加 1 表示背景,k 表示后续要pooling 的大小,所以生成 k^2 倍的channel,以应对后面的空间pooling。

普通CNN后,还有一个RPN(Region Proposal Network),生成候选框。

假设一个候选框大小为 w×h,将它投影在位置相关的特征上,并采用average-pooling的方式生成一个 k×k×k^2(C+1) 的块(与Fast RCNN一样),再采用空间相关的pooling(k×k平面上每一个点取channel上对应的部分数据),生成 k×k×(C+1)的块,最后再做average-pooling生成 C+1 的块,最后做softmax生成分类概率。

类似的,RPN也可以采用空间pooling的结构,生成一个channel为 4k^2的特征层。

空间pooling的具体操作可以参考下面。

训练与SSD相似,训练时拿来做lost计算的点取一个常数,如128。 除去正点,剩下的所有使用概率最高的负点。

YOLO

You Only Look Once: Unified, Real-Time Object Detection(https://arxiv.org/abs/1506.02640)

Faster RCNN需要对20k个anchor box进行判断是否是物体,然后再进行物体识别,分成了两步。 YOLO则把物体框的选择与识别进行了结合,一步输出,即变成”You Only Look Once”。

  • 把原始图片缩放成448×448大小
  • 运行单个CNN
  • 计算物体中心是否落入单元格、物体的位置、物体的类别

模型如下:

  • 把缩放成统一大小的图片分割成S×S的单元格
  • 每个单元格输出B个矩形框(冗余设计),包含框的位置信息(x, y, w, h)与物体的Confidence
  • 每个单元格再输出C个类别的条件概率P(Class∣Object)
  • 最终输出层应有S×S×(B∗5+C)个单元
  • x, y 是每个单元格的相对位置
  • w, h 是整图的相对大小

Conficence定义如下:

在原论文中,S = 7,B = 2,C = 20,所以输出的单元数为7×7×30。

代价函数:

其中 λ_coord=5,λ_noobj=0.5。

一般,w与 h 不是在 [0,1]上的均匀分布,偏小,所以开方。

注: 开方的解释是我自己的估计,可能不对。

SSD

SSD: Single Shot MultiBox Detector(http://www.cs.unc.edu/~wliu/papers/ssd.pdf)

YOLO在 7×7 的框架下识别物体,遇到大量小物体时,难以处理。

SSD则在不同层级的feature map下进行识别,能够覆盖更多范围。

假设在 m 层 feature map 上进行识别,则第 k 层的基本比例为

比如 s_min=0.2,s_max=0.95,表示整张图片识别物体所占比最小 0.2,最大 0.95。

在基本比例上,再取多个长宽比,令 a={1, 2, 3, 1/2, 1/3},长宽分别为

Match策略上,取ground truth与以上生成的格子重叠率大于0.5的。

SSD VS YOLO

位置采用Smooth L1 Regression,分类采用Softmax。

代价函数为:

![][01] [01]:http://latex.codecogs.com/png.latex?L%20=%20L_{conf}(x,%20c)%20+%20\alpha%20\cdot%20L_{loc}(c,%20l,%20g))

x 表示类别输出,c 表示目标分类,l 表示位置输出,g 表示目标位置, α是比例常数,可取1。

训练过程中负点远多于正点,所以只取负点中,概率最大的几个,数量与正点成 3:1 。

NMS

以上方法,同一物体可能有多个预测值。

可用NMS(Non-maximum suppression,非极大值抑制)来去重。

如上图所示,一共有6个识别为人的框,每一个框有一个置信率。

现在需要消除多余的:

  • 按置信率排序: 0.95, 0.9, 0.9, 0.8, 0.7, 0.7
  • 取最大0.95的框为一个物体框
  • 剩余5个框中,去掉与0.95框重叠率大于0.6(可以另行设置),则保留0.9, 0.8, 0.7三个框
  • 重复上面的步骤,直到没有框了,0.9为一个框
  • 选出来的为: 0.95, 0.9

两个矩形的重叠率计算方式如下:

xywh VS xyxy

系列论文中,位置都用 (x,y,w,h)来表示,没有用左上角、右下角 (x,y,x,y) 来表示。

初衷是当 (w,h)正确时,(x,y) 一点错,会导致整个框就不准了。

在初步的实际实验中,(x,y,x,y) 效果要差一些。

背后的逻辑,物体位置用 (x,y,w,h) 来学习比较容易。

(x,y) 只需要位置相关的加权就能计算出来;

(w,h) 就更简单了,直接特征值相加即可。

原文链接:Detection(http://www.cosmosshadow.com/ml/%E5%BA%94%E7%94%A8/2015/12/07/%E7%89%A9%E4%BD%93%E6%A3%80%E6%B5%8B.html)

补充阅读:

1、[Detection] 深度学习之 "物体检测" 方法梳理

2、[译] 基于R-FCN的物体检测 (zhwhong)(https://www.jianshu.com/p/db1b74770e52)

原文发布于微信公众号 - 人工智能LeadAI(atleadai)

原文发表时间:2018-01-02

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