【论文解读】Faster R-CNN 实时目标检测

前言

Faster R-CNN 的亮点是使用RPN来提取候选框；RPN全称是Region Proposal Network，也可理解为区域生成网络，或区域候选网络；它是用来提取候选框的。RPN特点是耗时少。

Faster R-CNN是“RCNN系列算法”的杰出产物，也是two-stage中经典的物体检测算法。two-stage的过程是：

第一阶段先找出图片中待检测物体的anchor矩形框。（对背景、待检测物体进行二分类）

第二阶段对anchor框内待检测物体进行分类。

简单来说：先产生一些待检测框，再对检测框进行分类。关键点是如何找到“待检测框”，这些待检测框中包含目标物体，虽然暂时不知道它的类别。

论文地址：Faster R-CNN: Towards Real-Time Object Detection with Region Proposal Network

开源代码：https://github.com/endernewton/tf-faster-rcnn

一、网络框架

Faster RCNN主要分为4个主要内容：

CNN提取特征，生成feature maps；

RPN网络提取候选框；

ROI pooling确定具有物体区域的feature maps；

指定区域进行分类。

ps：上图的RoI poloing单词写错了，正确是RoI pooling

Faster RCNN的4个主要内容：

CNN提取特征，生成特征图feature maps。共享基础卷积层，用于提取整张图片的特征。例如VGG16，去除其中的全连接层，只留下卷积层，输出下采样后的feature maps。该feature maps被共享用于后续RPN层和全连接层。

RPN网络提取候选框。该层通过softmax判断anchors属于positive或者negative，再利用bounding box regression修正anchors获得精确的proposals。

ROI pooling确定具有物体区域的feature maps。该层收集输入的feature maps和proposals，综合这些信息后提取proposal feature maps，送入后续全连接层判定目标类别。

指定区域进行分类。对候选检测框进行分类，并且再次微调候选框坐标。利用proposal feature maps计算proposal的类别，同时再次bounding box regression获得检测框最终的精确位置。（在RPN中，网络会根据先前人为设置的anchor框进行坐标调整，所以这里是第二次调整）

二、思路流程

引用《一文读懂Faster RCNN》中的模型结构图：

输入是任意大小PxQ的图像；流程步骤如下：

首先缩放至固定大小MxN，然后将MxN图像送入网络；

Conv layers基于VGG-16模型提取特征，其中包含了13个conv层+13个relu层+4个pooling层；

RPN网络首先经过3x3卷积，再分别生成positive anchors（包含物体的边界框），和对应bounding box regression偏移量，然后计算出proposals（最有可能包含物体的区域）；

Roi Pooling层则利用proposals从feature maps中提取proposal feature送入后续全连接和softmax网络作classification（即分类proposal到底是什么object）。

三、CNN提取特征

Faster R-CNN的主干网络可以基于VGG16模型，去除其中的全连接层，只留下卷积层，提取整张图片的特征。

在论文中可能经常会将主干网络称为backbone network。主干网络的作用就是用来提取图片特征的，这个不是一成不变的，可以替换，比如使用残差网络ResNet。

VGG-16网络中的16代表的含义是含有参数的有16个层，分别是13个卷积层+3个全连接层。下面看看VGG-16的网络结构：

其中，13层的卷积层就是在不断地提取特征，池化层就是使图片的尺寸不断在变小。

四、RPN网络提取候选框

RPN全称是Region Proposal Network，也可理解为区域生成网络，或区域候选网络；它是用来提取候选框的。

4.1、RPN思路流程

RPN网络的任务是找到proposals。输入：feature map。输出：proposal。

RPN总体流程：

生成anchors（anchor boxes）。

判断每个 anchor box 为 foreground(包含物体) 或者 background(背景) ，二分类；softmax分类器提取positvie anchors 。

边界框回归(bounding box regression) 对 anchor box 进行微调，使得 positive anchor 和真实框(Ground Truth Box)更加接近。

Proposal Layer生成proposals。

4.2、feature maps与锚框 anchor boxes

feature maps 的每一个点都配9个锚框，作为初始的检测框。重要的事说三遍：

锚框作为初始的检测框！、 锚框作为初始的检测框！、 锚框作为初始的检测框！

虽然这样得到的检测框很不准确，但后面可通过 bounding box regression 来修正检测框的位置。

下面介绍那9个anchor boxes 锚框，先看看它的形状：

这里一共有9个框框，绿色3个，红色3个，蓝色3个。有3种形状，长宽比分别是1:1, 1:2, 2:1

4.3、判断anchor boxes是否包含物体

在feature map上，设置了密密麻麻的候选anchor boxes  锚框。为什么会有这么多？因为 feature maps 的每一个点都配9个锚框，如果一共有1900个点，那一共有1900*9=17100个锚框了。

设 feature maps 的尺寸为 W*H，那么总共有 W*H*9个锚框。（W：feature maps的宽；H：feature maps 的高。）

然后用cnn去判断哪些anchor box是里面有目标的positive anchor，哪些是没目标的negative anchor。所以，RPN做的只是个二分类。

关于cnn的模型结构，可以参考下图：

4.4、修正边界框

已知anchor box 包含物体称为positive anchors，那怎么调整，才能使得 anchor box 与 ground truth 更接近？

图中红框为positive anchors，绿框为真实框（Ground Truth Box，简称GT）

positive anchors 和GT的梯度可以有dx, dy, dw, dh四个变换表示，bounding box regression通过线性回归学习到这个四个梯度，使positive anchors 不断逼近GT，从而获得更精确的proposal。

bounding box regression 思路，简单一点的，可以先做平移，再做缩放，最终包含物体anchor box和真实框很接近。

4.5、Proposal（最有可能包含物体的区域）

通过上面的判断anchor boxes是否包含物体，对有物体的anchor boxes通过回归进行修正它的尺子，最终包含物体anchor box和真实框很接近。RPN会输出一些框框，和这些框框包含物体的概率。

总结一下，Proposal 的输入有三个：

softmax 分类矩阵

Bounding Box Regression 坐标矩阵

im_info 保存了缩放的信息

输出为:

rpn_rois: RPN 产生的 ROIs （Region of Interests，感兴趣的区域）

rpn_roi_probs: 表示 ROI 包含物体的概率

RPN 只挑选出了可能包含物体的区域（rpn_rois）以及其包含物体的概率(rpn_roi_probs)。在后续处理中，设定一个阈值 threshold，如果某个ROI包含物体的概率的概率大于阈值，再判断其类别；否则直接忽略。

整个RPN的作用就是：

用神经网络回归检测框，并且对检测框进行二分类（positive、negative）；

输出过滤后的positive检测框（RoI）。

RPN输出的proposals， 一个表示所有ROI的N×5的矩阵，其中N表示ROI的数目。第一列表示图像index，其余四列表示其余的左上角和右下角坐标，坐标信息是对应原图中的绝对坐标。

五、ROI pooling

ROI就是region of interest，指的是感兴趣区域；如果输入是原图，roi就是目标；如果输入是feature maps，roi就是特征图像中目标的特征了。pooling就是池化。

Roi Pooling层收集输入的feature maps 和 proposals（最有可能包含物体的区域），综合这些信息提取proposal feature map，进入到后面可利用全连接操作来进行目标识别和定位。

Rol pooling层有2个输入：

原始的feature maps；（cnn卷积出来后的用于共享的那个特征图）

RPN输出的proposal boxes（proposals、大小各不相同）。

RPN在特征图中会产生尺寸不一致的Proposal区域，而在Faster RCNN中，之后的分类网络输入尺寸固定为7*7，所以对于任意大小的输入，都用7*7的网格覆盖原区域。

如下图所示，能看到红色框、绿色框虽然它们的尺寸不是一样的，但是它们都是7*7的；

在7*7中每个格子上，取当前格子覆盖区域内的最大值（max pooling）；这里对应紫色的部分。

六、指定区域进行分类

此部分输入是：从RoI Pooling获取到7x7=49大小的proposal feature maps（包含物体的特征图）

引用《一文读懂Faster RCNN》中的分类结构图：

处理过程：

通过全连接层与softmax计算每个proposal具体属于那个类别，输出cls_prob概率向量。

同时再次利用bounding box regression获得每个proposal的位置偏移量bbox_pred，用于回归更加精确的目标检测框。

七、Faster RCNN损失函数

损失函数

RPN网络与分类网络，输出都是“坐标回归数值”与“分类数值”，所以两个网络的Loss函数都可以用如下式子表达：

其中，是分类损失函数，在RNP网络中使用二分类损失函数，在分类网络中使用多分类损失函数。

是一个用来平衡分类与回归loss比例的因子。前面的控制了：只有正例框才会产生检测框回归loss。 （正例框：包含了物体的框）

正例框有两种情况：（1）IoU数值大于0.7；这个可以找到很多的正例框。（2）IoU最高的anchor box；是用来防止一些IoU很小的罕见的检测框；比如IoU都小于0.6时，这时选择个IoU最高的框。

八、模型效果

模型数据：

模型效果1如下：

模型效果2如下：

九、开源代码

开源代码：https://github.com/endernewton/tf-faster-rcnn

用于目标检测的Faster RCNN。该版本代码支持VGG16、Resnet V1和Mobilenet V1模型。

代码的运行环境：

系统：ubuntu 16.04(x64)

语言：Python3.5

深度框架：TensorFlow1.0（GPU 版本）

其他依赖库：cv2、cython、easydict=1.6、numpy等。

本文参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/31426458

https://zhuanlan.zhihu.com/p/82185598

https://blog.csdn.net/LLyj_/article/details/87521925

论文地址：Faster R-CNN: Towards Real-Time Object Detection with Region Proposal Network

开源代码：https://github.com/endernewton/tf-faster-rcnn

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