深度学习——目标检测[12]
目录
- 目标定位/对象检测
- 特征点检测
- 基于滑动窗口的对象检测
- YOLO算法
- 其它算法
一、目标定位/对象检测
图像分类：一般图像中只有一个对象，判断图像属于哪一类
分类定位问题：找出图像中的对象并识别出对象属于哪一类（一个边界框来表示在图像中的位置）
对象检测：一般有多个对象，找出图像中的对象（一个边界框来表示在图像中的位置）
- 分类定位实例
识别图中的对象：判断属于哪一类（pedestrian, car, motorcycle, background）。background表示没有任何对象
定位对象的位置：$b_x$, $b_y$是对象所在位置的中心点，$b_w$,$b_h$是对象的大小
输出的label y：假设要识别的类别有3种，则label中的元素如下
| $p_c$ | $b_x$ | $b_y$ | $b_w$ | $b_h$ | $c_1$ | $c_2$ | $c_3$ |
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是否有对象，1表示有 0表示没有（只有背景） 如果只有背景，则其他就不用关注了 |
对象中心点的x位置 | 对象中心的y位置 | 对象的宽度 | 对象的高度 | 对象属于类1的概率 | 对象属于类2的概率 | 对象属于类3的概率 |
定义loss函数: $L(\widehat{y}, y) = \sum(\widehat{y}_i, y_i)^2$
对8个结果分别求差平方和（也可以每个参数用不同函数来进行误差估计）
当pc=0时（也就是没有对象时），只关注pc的结果是否正确，其它结果不重要，loss也就只计算pc的结果
二、特征点检测landmark
通过让神经网络输出一些关键点（landmark）位置来识别一个对象。下面是一些例子
注：关键点label的表示在每张图上要一致，比如图2中总是用$l1$来表示左侧的眼角
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| $b_x, b_y, b_w, b_h$ | $l_{1x}, l_{1y}\\l_{2x}, l_{2y}\\...\\l_{64x}, l_{64y}$ | $l_{1x}, l_{1y}\\l_{2x}, l_{2y}\\...\\l_{32x}, l_{32y}$ |
三、基于滑动窗口的对象检测
例：汽车检测
训练集：对图像进行适当裁剪，把裁剪后的部分作为输入，判断是否包含车
滑动窗口检测sliding windows detection：用一个框（窗口），移动遍历图像的各区域，把框内的图像作为ConV网络的输入进行计算
滑动窗口检测问题：计算的代价太大
解决计算量大的问题：利用卷积计算共享窗口公共部分的结果以减少计算量
具体实现方式
- 把conv net中的全连接层转换为卷积层：5x5x16全连接得到400个元素—>(5x5x16)*(5x5x16)400卷积结果为1x1x400。最后输出为包含4个元素的向量，则可以看作1x1x4
- 训练数据为16x16x3，滑动窗口大小为14x14x3，步长为2
- 若单独计算，需要裁剪并依次输入网络中计算4次，而且4个窗口中的公共部分在每次计算时都会重新计算一遍(X)
- 直接对整张图进行卷积计算，最后输出的4个色块与输入的四个色块是对应的，也就是每个窗口的结果(√)
[Sermanet et al., 2014. OverFeat: Integrated recognition, localization and detection using convolutional networks]
四、YOLO算法you only look once
[Redmon et al., 2015, You Only Look Once: Unified real-time object detection]
利用卷积实现滑动窗口检测的缺点：窗口的大小位置并不一定那么准确，无法获得精确的边界
- 基本思想
把图片分成3x3（或更多）个格子，接着对每个格子执行图像分类和定位方法，每个格子有一个输出label（8个值）
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- label中标记一个物体属于一个格子：以物体的中心点为准，中心点在哪个格子，它就属于哪个格子。如果一个格子中不包含物体的中心点，即使有很多部分落在其中，也认为该格子不包含物体
- 一个格子包含多个物体？：就是格子中有多个物体的中心点。实际中使用19x19的划分得更精细，这种情况就会更少一些
- 每个格子都要执行一次？：利用卷积，只要单次卷积即可完成。YOLO的执行速度很快，甚至可以达到实时检测
- 如何定义物体位置
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物体的位置是相对于它所在的格子来说，而不是整个图像。中心点的值在(0, 1)，而宽高取值可以大于1 |
- 如何评价物体检测算法是否正确
交并比IoU：intersection over union，就是两个区域交集与并集的比，一般规定0.5以上就说明结果是正确的，也可以定得更高
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IoU=实际大小的黄色区域/检测出来的绿色区域大小 |
- 一个物体被多个格子检测的问题
问题：如果对一个图像划分19x19格，每个格子都有可能说自己包含了一个对象（如车子），也就是一个车子被多个格子检测
non-max suppersion：非最大抑制算法
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(如果有多种物体则每种执行一次non-max) 执行算法得到结果：[$p_c$ $b_x$ $b_y$ $b_h$ $b_w$] 剔除所有$p_c<threshold$，也就是包含物体的概率小于限值的格子 while 还有格子没有判断过 找出$p_c$最大的格子 抑制与上一步格子$IoU \geqslant 0.5$的格子 |
- 一个格子包含多个物体的中心点的问题
基本思想：定义多种anchor box形状，在输出标签中包括了这些anchor box，检测到一个物体的话，既要看它的中心点位置，还要看它和哪个anchor box的IoU最高来决定
问题：如何选择anchor box的类型； 如果给了两个anchor box，但是有三种形状的话，算法效果不好；事实上，如果格子多一些，一个格子有多个物体的问题就会少一些
五、其它算法
R-CNN：region with CNN
思想：对图像进行分割，接着从中选取候选区域再执行算法，而不是对整个图像所有区域计算（因为有些区域没有必要检测，如左下角位置不可能存在物体）
在计算机视觉领域用的比较多
[Girshik et.al, 2013, Rich feature hierarchies for accurate object detection and semantic segmentation]
Fast R-CNN：利用滑动窗口的卷积实现来区分预设的区域
[Girshik, 2015, Fast R-CNN]
Faster R-CNN：用卷积网络来找出预设的区域
[Ren et. al, 2016. Faster R-CNN: Towards real-time object detection with region proposal networks]
