Fast R-CNN学习总结

　　Fast R-CNN是R-CNN的改良版，同时也吸取了SPP-net中的方法。在此做一下总结。

　　论文中讲到在训练阶段，训练一个深度目标检测网络（VGG16），训练速度要比R-CNN快9倍左右，比SPP-net快3倍左右。在测试阶段，处理一张图片需要0.3s。在PASCAL VOC 2012数据库上的mAP也达到了66%，比R-CNN高两个百分点。

　　

　　提出背景

　　这个方法提出的背景是，R-CNN和SPP-net在目标检测方面还有一些不足。不足表现在一下几点：

　　1、训练分为多个阶段，首先要微调ConvNet，用来提取特征，然后处理proposal，计算得到的ConvNet特征，使用线性SVM进行分类，最后用bounding box进行回归；

　　2、训练时间和空间开销大。每一张图像上有大量proposal，还要对每个proposal提取特征，并存到磁盘中；

　　3、测试阶段速度太慢。要对每张图片上的大量proposal提取特征，然后根据提取的特征进行检测。

 

　　创新点

　　Fast R-CNN的创新点在于：

　　1、相较于R-CNN和SPP-net，检测结果精确度更高；

　　2、训练只有一个阶段，将多任务的loss结合在一起；

　　3、在训练时，可更新所有的层；

　　4、不需要在硬盘中存储特征。

 

　　Fast R-CNN的框架

 

　　1、我们还是需要使用selective search算法在图像中提取2k个左右的候选框；

　　2、然后将图像和候选框（即RoIs）信息输入网络中，并在最后的卷积层上对每个RoI求映射关系，并使用RoI pooling layer来将对应的特征统一到相同的大小；

　　3、最终网络有两个输出，也对应两个loss，一个使用softmax进行分类，另一个进行bounding box回归。

　　

　　其中的RoI pooling layer是借鉴了SPP-net的方法，只是只有一级“金字塔”，将特征划分为H×W的网格，对每个网格进行max-pooling，提取特征。论文中H=W=7。

　　

　　Fast R-CNN的训练

　　我们要对网络进行修改，使用RoI pooling layer替换最后的pooling层（即全连接层之前的pooling层），使用 两个姊妹层替代最后的全连接层和softmax层。两个姊妹层，其中一个是全连接+softmax，用作分类任务；另一个是用于bounding box回归的任务。

　　在训练阶段，每一个mini-batch中首先加入N张完整图片，而后加入从N张图片中选取的R个候选框。这R个候选框可以复用N张图片前5个阶段的网络特征。实际选择N=2， R=128。N张完整的图像以50%的概率进行水平翻转，R个候选框的构成如下： 

类别	比例	方式
前景	25%	与某个真值重叠在[0.5,1]的候选框
背景	75%	与真值重叠的最大值在[0.1,0.5)的候选框

　　

　　多任务loss

　　每个RoI都对应着一个ground-truth class 和一个ground-truth bounding box regression target 。

　　表示K+1个类别各自对应的概率，p由softmax层计算得到。我们将分类任务的loss定义为：

　　ground-truth bounding box regression target ，bounding box任务的预测结果，对应正确的类别。因为我们进行bounding box回归时，不考虑背景，所以时，bounding box回归没有对应的loss，而当时，对应的loss为：

 

其中

 所以，最终的loss为：

 

　　RoI pooling层的反向传播

　　是RoI pooling层输入中的一个节点（可以理解为一个像素），是对应第r个RoI的第j个输出（也可以理解为一个像素），那么RoI pooling层所做的操作为
，其中，是池化得到的小网格区域，由于不同的RoI会可能会包含同样的像素，所以一个可能对应多个，最终loss关于 的偏导数为：