连连看：从 Faster R-CNN、R-FCN到FPN

本文为雷锋字幕组编译的技术博客，原标题What do we learn from region based object detectors (Faster R-CNN, R-FCN, FPN)?，作者为Jonathan Hui。

翻译 | 唐青 李振 整理 | 凡江

在这个系列中，我们将对目标检测算法进行全面探讨。 第1部分，我们介绍常见的基于区域的目标检测器，包括Fast R-CNN，Faster R-CNN，R-FCN和FPN。 第2部分，我们介绍单步检测器（single shoot dectors, SSD)。第3部分，我们探讨算法性能和一些具体的例子。通过在相同的环境研究这些算法，我们研究哪些部分在其作用，哪些部分是重要的，可以在哪些部分进一步改进。希望通过对算法如何发展到今天的研究，会给我们未来的研究提供方向。

第1部分：我们从基于区域的目标检测器中学到了什么（Faster R-CNN，R-FCN，FPN）？

第2部分：我们从单步检测器中学到了什么（SSD，YOLO），FPN和Focal loss？

第3部分：目标检测的设计选型，经验教训和发展趋势？

滑动窗口检测器（Sliding-window detectors）

自从AlexNet赢得了2012年ILSVRC挑战的冠军，使用CNN进行分类成为领域的主导。一种用于目标检测的简单粗暴的方法是将滑动窗口从左到右，从上到下滑动使用分类来识别目标。为了区分在不同视觉距离下的目标类型，我们使用了不同尺寸和高宽比的窗口。

我们按照滑动窗口从图片中剪切出部分图像块。由于通常分类器都采用固定的图像大小，所以图像块需要进行形变。然而，这对分类精度并没有什么影响，应为分类器训练时也使用了形变的图像。

形变的图像块被送进CNN分类器中提取4096个特征。然后，我们用一个SVM分类器进行分类，用一个线性回归器得到边界框。

以下是伪代码。 我们生成了很多窗口来检测不同位置、不同形状的目标。 为了提高性能，减少窗口数量是一个显而易见的解决方案。

选择性搜索（Selective Search）

不再用简单粗暴的方法，我们用区域提议方法（region proposal method）生成感兴趣区域(regins of interest, ROIs)来进行目标检测。在选择性搜索算法（Selective Search, SS）中，我们让每个独立像素作为一个起始的组。然后，计算每个组的纹理，合并最接近的两个组。为了避免一个区域吞所有，我们优先合并较小的组。持续进行合并，直到所有可能合并的区域均完成合并。下图中，第一行展示了如何进行区域生长。第二行展示了在合并过程中所有可能的ROIs。

R-CNN

R-CNN利用区域提议方法（region proposal method）生成了约2000个感兴趣区域（regins of interest, ROIs）。这些图像块进行形变到固定的大小，分别送入到一个CNN网络中。然后，经过全连接层，进行目标分类和边界框提取。

以下是系统的工作流。

利用数量更少，但质量更高的ROIs，R-CNN比滑动窗口的方法运行的更快、更准确。

边界框回归器（Boundary box regressor）

区域提议方法的计算量很大。为了加速这个过程，我们常采用一个简易版的区域提议网络来生成ROIs，然后，接线性回归器（使用全连接层）来提取边界框。

Fast R-CNN

R-CNN需要足够多的提议区域才能保证准确度， 而很多区域是相互重叠的。R-CNN的训练和推理过程都很缓慢。例如，我们生成了2000个的区域提议，每个区域提议分别进入CNN。换句话说，我们对不同的ROIs重复了进行了2000次的提取特征。

CNN中的特征映射表达了一个更紧密的空间中的空间特征。我们能否利用这些特征映射来进行目标检测，而不是原始图像？

我们不再为每个图像块重新提取特征，而是在开始时采用一个特征提取器（一个CNN网络）为整个图像提取特征。然后，直接在特征映射上应用区域提议方法。例如，Fast R-CNN选择VGG16的卷积层conv5来生成待合并ROIs来进行目标检测，其中，包括了与相应特征的映射。我们利用ROI Pooling对图像块进行形变转换成固定大小，然后将其输入到全连接层进行分类和定位（检测出目标的位置）。由于不重复特征提取，Fast R-CNN显著的缩短了处理时间。

以下是网络工作流：

在下面的伪代码中，计算量很大的特征提取操作被移出了for循环。由于同时为2000个ROIs提取特征，速度有显著的提升。Fast R-CNN比R-CNN的训练速度快10倍，推理速度快150倍。

Fast R-CNN的一个主要特点是整个网络（特征提取器，分类器和边界框回归器）可以通过多任务损失multi-task losses（分类损失和定位损失）进行端到端的训练。这样的设计提高了准确性。

ROI Pooling

由于Fast R-CNN使用了全连接层，因此我们应用ROI Pooling将不同大小的ROIs转换为预定义大小形状。

举个例子，我们将8×8特征映射转换为预定义的2×2大小。

左上：特征映射图。

右上：ROI（蓝色）与特征映射图重叠。

左下：我们将ROI分成目标维度。 例如，我们的目标大小是2×2，我们将ROI分为4个大小相似或相等的部分。

右下：取每个部分的最大值，结果是特征映射转换后的结果。

结果，得到了一个2×2的特征块，我们可以将它输入到分类器和边界框回归器中。

Faster R-CNN

Fast R-CNN采用类似选择性搜索（Selective Search）这样额外的区域提议方法。 但是，这些算法在CPU上运行，且速度很慢。测试时，Fast R-CNN需要2.3秒进行预测，而其中2秒花费在生成2000个ROIs上。

Faster R-CNN采用与Fast R-CNN相似的设计，不同之处在于它通过内部深度网络取代区域提议方法。 新的区域提议网络（Region Proposal Network, RPN）效率更高。单副图像生成ROIs只需要10ms。

网络工作流。区域提议方法被新的卷积网络（RPN）取代。

区域提议网络(Region proposal network)

区域提议网络(RPN)用第一个卷积网络输出的特征图作为输入。在特征图上用3×3的滤波器进行滑动（滤波），采用诸如ZF网络（如下图）的卷积网络来得到未知类的建议区域。其他如VGG或者ResNet可以被用来提取更全面的特征，但需以速度为代价。ZF网络输出的256个值分别被送入两个不一样的全连接层来预测边界框和对象性分数（2 objectness score)。对象性描述了框内是否包含有一个物体。我们可以用回归器来计算单个物体的分数，但是为了简单起见，Faster　R-CNN使用了一个分类器分类出两种可能的类别：“存在物体”类和“不存在物体/背景”类。

RPN对特征图里的每个位置(像素点)做了K次猜测。因此RPN在每个位置都输出4×k个坐标和2×k个分数。以下图例演示了一个使用3*3过滤器的8*8特征图，它一共输出8×8×3个兴趣区(ROI)(当k=3时）。右侧图例展示了在单个位置得到的3个提议区域。

我们现在有3个猜测，随后我们也会逐渐改善我们的猜想。因为我们最终只需要一个正确的猜测，所以我们使用不同形状和大小的的初始猜测会更好。因此，Faster R-CNN不是随机的选择提议边界框。而是预测了相对于一些被称为锚的参考框的左上角的偏移量，比如 ?x, ?y 。因为我们约束了偏移量，所以我们的猜测仍然类似与锚。

为了对每个位置都进行k次预测，我们需要在每个位置中心放置k个锚。每次预测都和不同位置但是相同形状的特定锚相关。

这些锚都是精心预选好的，所以它们多种多样，同时非常合理的覆盖了不同尺度和不同长宽比的现实生活中的物体。这使了初始训练将具有更好的猜测，同时允许每次预测都有特定、不同的形状。这种方式使早期的训练更加稳定和容易。

Faster　R-CNN使用了更多的锚。Faster　R-CNN在一个位置上使用了9个锚: 3种不同尺度并使用三种长宽比。在每个位置使用9种锚，所以对于每个位置，它一共产生了2*9个对象性分数和4×9个坐标。

锚在不同的论文中也被称为先验或者默认边界框。

R-CNN的性能

如下图，Faster R-CNN要快得多。

基于区域的全卷积网络

假设我们只有一张特诊图用来检测脸上的右眼。我们是否可以用此来决定脸的位置呢？是可以的。因为右眼应该位于一张面部图像的左上角，我们也可以用此信息来确定脸的位置。

如果我们有另外的特诊图专门用来分别检测左眼，鼻子，嘴，我们可以将这些结果结合在一起使对脸部的定位更准确。

那为什么我们要如此麻烦呢？在Faster R-CNN里，检测器使用多个全连接层来做预测，有2000多个ROI，这消耗很高。

R-FCN通过减少每个ROI需要的工作总量来提高速度，以上基于区域的特诊图独立于ROIs，同时可以在每一个ROI的外部进行计算。接下来的工作就更简单了，因此R-FCN比Faster R-CNN要快。

我们可以想想一下这种情况，M是一个5*5大小，有一个蓝色的正方形物体在其中的特征图，我们将方形物体平均分割成3*3的区域。现在我们从M中创建一个新的特诊图并只用其来检测方形区域的左上角。这个新的特征图如下右图，只有黄色网格单元被激活。

因为我们将方形分为了9个部分，我们可以创建9张特征图分别来检测对应的物体区域。因为每张图检测的是目标物体的子区域，所以这些特征图被称为位置敏感分数图（position-sensitive score maps）。

比如，我们可以说，下图由虚线所画的红色矩形是被提议的ROIs。我们将其分为3*3区域并得出每个区域可能包含其对应的物体部分的可能性。例如，ROIs的左上区域中存在左眼的可能性。我们将此结果储存在3*3的投票阵列（如下右图）中。比如，投票阵列[0][0]中数值的意义是在此找到方形目标左上区域的可能性。

将分数图和ROIs映射到投票阵列的过程叫做位置敏感ROI池化（position-sensitive ROI-pool）。这个过程和我们之前提到的ROI pool非常相似。这里不会更深入的去讲解它，但是你可以参考以后的章节来获取更多信息。

在计算完位置敏感ROI池化所有的值之后，分类的得分就是所有它元素的平均值。

如果说我们有C类物体需要检测。我们将使用C+1个类，因为其中多包括了一个背景（无目标物体）类。每类都分别有一个3×3分数图，因此一共有(C+1)×3×3张分数图。通过使用自己类别的那组分数图，我们可以预测出每一类的分数。然后我们使用softmax来操作这些分数从而计算出每一类的概率。

接下来是数据流（图），比如我们的例子中，k=3。

至今为止我们的历程

我们从最基础的滑动窗口算法开始。

然后我们尝试减少窗口数，并尽可能的将可以移出for-loop的操作移出。

在第二部分里，我们更加完全的移除了for-loop。单次检测器（single shot detectors）使物体检测能一次性完成，而不需要额外的区域提议步骤。