[转]CNN目标检测（一）：Faster RCNN详解
https://blog.csdn.net/a8039974/article/details/77592389
Faster RCNN github : https://github.com/rbgirshick/py-faster-rcnn
Faster RCNN paper : https://arxiv.org/abs/1506.01497
Bound box regression详解 : http://download.csdn.net/download/zy1034092330/9940097（来源：王斌_ICT）
缩进经过RCNN和Fast RCNN的积淀，Ross B. Girshick在2016年提出了新的Faster RCNN，在结构上，Faster RCN已经将特征抽取(feature extraction)，proposal提取，bounding box regression(rect refine)，classification都整合在了一个网络中，使得综合性能有较大提高，在检测速度方面尤为明显。
图1 Faster CNN基本结构（来自原论文）
缩进依作者看来，如图1，Faster RCNN其实可以分为4个主要内容：
- Conv layers。作为一种CNN网络目标检测方法，Faster RCNN首先使用一组基础的conv+relu+pooling层提取image的feature maps。该feature maps被共享用于后续RPN层和全连接层。
- Region Proposal Networks。RPN网络用于生成region proposals。该层通过softmax判断anchors属于foreground或者background，再利用bounding box regression修正anchors获得精确的proposals。
- Roi Pooling。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。
- Classification。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。
所以本文以上述4个内容作为切入点介绍Faster RCNN网络。
缩进图2展示了python版本中的VGG16模型中的faster_rcnn_test.pt的网络结构，可以清晰的看到该网络对于一副任意大小PxQ的图像，首先缩放至固定大小MxN，然后将MxN图像送入网络；而Conv layers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foreground anchors与bounding box regression偏移量，然后计算出proposals；而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）。
path:${py-faster-rcnn-root}/models/pascal_voc/VGG16/faster_rcnn_alt_opt/faster_rcnn_test.pt
图2 faster_rcnn_test.pt网络结构
1 Conv layers
缩进Conv layers包含了conv，pooling，relu三种层。以python版本中的VGG16模型中的faster_rcnn_test.pt的网络结构为例，如图2，Conv layers部分共有13个conv层，13个relu层，4个pooling层。这里有一个非常容易被忽略但是又无比重要的信息，在Conv layers中：
- 所有的conv层都是：kernel_size=3，pad=1
- 所有的pooling层都是：kernel_size=2，stride=2
为何重要？在Faster RCNN Conv layers中对所有的卷积都做了扩边处理（pad=1，即填充一圈0），导致原图变为(M+2)x(N+2)大小，再做3x3卷积后输出MxN。正是这种设置，导致Conv layers中的conv层不改变输入和输出矩阵大小。如图3：
图3
类似的是，Conv layers中的pooling层kernel_size=2，stride=2。这样每个经过pooling层的MxN矩阵，都会变为(M/2)*(N/2)大小。综上所述，在整个Conv layers中，conv和relu层不改变输入输出大小，只有pooling层使输出长宽都变为输入的1/2。
缩进那么，一个MxN大小的矩阵经过Conv layers固定变为(M/16)x(N/16)！这样Conv layers生成的featuure map中都可以和原图对应起来。
2 Region Proposal Networks(RPN)
缩进经典的检测方法生成检测框都非常耗时，如OpenCV adaboost使用滑动窗口+图像金字塔生成检测框；或如RCNN使用SS(Selective Search)方法生成检测框。而Faster RCNN则抛弃了传统的滑动窗口和SS方法，直接使用RPN生成检测框，这也是Faster RCNN的巨大优势，能极大提升检测框的生成速度。
图4 RPN网络结构
上图4展示了RPN网络的具体结构。可以看到RPN网络实际分为2条线，上面一条通过softmax分类anchors获得foreground和background（检测目标是foreground），下面一条用于计算对于anchors的bounding box regression偏移量，以获得精确的proposal。而最后的Proposal层则负责综合foreground anchors和bounding box regression偏移量获取proposals，同时剔除太小和超出边界的proposals。其实整个网络到了Proposal Layer这里，就完成了相当于目标定位的功能。
2.1 多通道图像卷积基础知识介绍
- 对于单通道图像+单卷积核做卷积，第一章中的图3已经展示了；
- 对于多通道图像+多卷积核做卷积，计算方式如下：
2.2 anchors
缩进提到RPN网络，就不能不说anchors。所谓anchors，实际上就是一组由rpn/generate_anchors.py生成的矩形。直接运行作者demo中的generate_anchors.py可以得到以下输出：
[[ -84. -40. 99. 55.] [-176. -88. 191. 103.] [-360. -184. 375. 199.] [ -56. -56. 71. 71.] [-120. -120. 135. 135.] [-248. -248. 263. 263.] [ -36. -80. 51. 95.] [ -80. -168. 95. 183.] [-168. -344. 183. 359.]]
其中每行的4个值[x1,y1,x2,y2]代表矩形左上和右下角点坐标。9个矩形共有3种形状，长宽比为大约为：width:height = [1:1, 1:2, 2:1]三种，如图6。实际上通过anchors就引入了检测中常用到的多尺度方法。
图6 anchors示意图
注：关于上面的anchors size，其实是根据检测图像设置的。在python demo中，会把任意大小的输入图像reshape成800x600（即图2中的M=800，N=600）。再回头来看anchors的大小，anchors中长宽1:2中最大为352x704，长宽2:1中最大736x384，基本是cover了800x600的各个尺度和形状。
那么这9个anchors是做什么的呢？借用Faster RCNN论文中的原图，如图7，遍历Conv layers计算获得的feature maps，为每一个点都配备这9种anchors作为初始的检测框。这样做获得检测框很不准确，不用担心，后面还有2次bounding box regression可以修正检测框位置。
图7
解释一下上面这张图的数字。
- 在原文中使用的是ZF model中，其Conv Layers中最后的conv5层num_output=256，对应生成256张特征图，所以相当于feature map每个点都是256-d
- 在conv5之后，做了rpn_conv/3x3卷积且num_output=256，相当于每个点又融合了周围3x3的空间信息（猜测这样做也许更鲁棒？反正我没测试），同时256-d不变（如图4和图7中的红框）
- 假设在conv5 feature map中每个点上有k个anchor（默认k=9），而每个anhcor要分foreground和background，所以每个点由256d feature转化为cls=2k scores；而每个anchor都有[x, y, w, h]对应4个偏移量，所以reg=4k coordinates
- 补充一点，全部anchors拿去训练太多了，训练程序会在合适的anchors中随机选取128个postive anchors+128个negative anchors进行训练（什么是合适的anchors下文5.1有解释）
注意，在本文讲解中使用的VGG conv5 num_output=512，所以是512d，其他类似.....
2.3 softmax判定foreground与background
layer {
name: "rpn_cls_score"
type: "Convolution"
bottom: "rpn/output"
top: "rpn_cls_score"
convolution_param {
num_output: 18 # 2(bg/fg) * 9(anchors)
kernel_size: 1 pad: 0 stride: 1
}
}
"Number of labels must match number of predictions; "
"e.g., if softmax axis == 1 and prediction shape is (N, C, H, W), "
"label count (number of labels) must be N*H*W, "
"with integer values in {0, 1, ..., C-1}.";
2.4 bounding box regression原理
图9
缩进对于窗口一般使用四维向量(x, y, w, h)表示，分别表示窗口的中心点坐标和宽高。对于图 10，红色的框A代表原始的Foreground Anchors，绿色的框G代表目标的GT，我们的目标是寻找一种关系，使得输入原始的anchor A经过映射得到一个跟真实窗口G更接近的回归窗口G'，即：给定anchor A=(Ax, Ay, Aw, Ah)，GT=[Gx, Gy, Gw, Gh]，寻找一种变换F：使得F(Ax, Ay, Aw, Ah)=(G'x, G'y, G'w, G'h)，其中(G'x, G'y, G'w, G'h)≈(Gx, Gy, Gw, Gh)。
图10
那么经过何种变换F才能从图6中的anchor A变为G'呢？ 比较简单的思路就是:
缩进 1. 先做平移
缩进 2. 再做缩放
缩进观察上面4个公式发现，需要学习的是dx(A)，dy(A)，dw(A)，dh(A)这四个变换。当输入的anchor A与GT相差较小时，可以认为这种变换是一种线性变换， 那么就可以用线性回归来建模对窗口进行微调（注意，只有当anchors A和GT比较接近时，才能使用线性回归模型，否则就是复杂的非线性问题了）。对应于Faster RCNN原文，平移量(tx, ty)与尺度因子(tw, th)如下：
缩进接下来的问题就是如何通过线性回归获得dx(A)，dy(A)，dw(A)，dh(A)了。线性回归就是给定输入的特征向量X, 学习一组参数W, 使得经过线性回归后的值跟真实值Y非常接近，即Y=WX。对于该问题，输入X是一张经过卷积获得的feature map，定义为Φ；同时还有训练传入的GT，即(tx, ty, tw, th)。输出是dx(A)，dy(A)，dw(A)，dh(A)四个变换。那么目标函数可以表示为：
其中Φ(A)是对应anchor的feature map组成的特征向量，w是需要学习的参数，d(A)是得到的预测值（*表示 x，y，w，h，也就是每一个变换对应一个上述目标函数）。为了让预测值(tx, ty, tw, th)与真实值差距最小，设计损失函数：
函数优化目标为：
2.5 对proposals进行bounding box regression
缩进在了解bounding box regression后，再回头来看RPN网络第二条线路，如图11。
图11 RPN中的bbox reg
先来看一看上图11中1x1卷积的caffe prototxt定义：
layer {
name: "rpn_bbox_pred"
type: "Convolution"
bottom: "rpn/output"
top: "rpn_bbox_pred"
convolution_param {
num_output: 36 # 4 * 9(anchors)
kernel_size: 1 pad: 0 stride: 1
}
}
可以看到其num_output=36，即经过该卷积输出图像为WxHx36，在caffe blob存储为[1, 36, H, W]，这里相当于feature maps每个点都有9个anchors，每个anchors又都有4个用于回归的[dx(A)，dy(A)，dw(A)，dh(A)]变换量。
2.6 Proposal Layer
layer {
name: 'proposal'
type: 'Python'
bottom: 'rpn_cls_prob_reshape'
bottom: 'rpn_bbox_pred'
bottom: 'im_info'
top: 'rois'
python_param {
module: 'rpn.proposal_layer'
layer: 'ProposalLayer'
param_str: "'feat_stride': 16"
}
}
- 生成anchors，利用[dx(A)，dy(A)，dw(A)，dh(A)]对所有的anchors做bbox regression回归（这里的anchors生成和训练时完全一致）
- 按照输入的foreground softmax scores由大到小排序anchors，提取前pre_nms_topN(e.g. 6000)个anchors，即提取修正位置后的foreground anchors。
- 利用im_info将fg anchors从MxN尺度映射回PxQ原图，判断fg anchors是否大范围超过边界，剔除严重超出边界fg anchors。
- 进行nms（nonmaximum suppression，非极大值抑制）
- 再次按照nms后的foreground softmax scores由大到小排序fg anchors，提取前post_nms_topN(e.g. 300)结果作为proposal输出。
3 RoI pooling
缩进而RoI Pooling层则负责收集proposal，并计算出proposal feature maps，送入后续网络。从图3中可以看到Rol pooling层有2个输入：
- 原始的feature maps
- RPN输出的proposal boxes（大小各不相同）
3.1 为何需要RoI Pooling
缩进先来看一个问题：对于传统的CNN（如AlexNet，VGG），当网络训练好后输入的图像尺寸必须是固定值，同时网络输出也是固定大小的vector or matrix。如果输入图像大小不定，这个问题就变得比较麻烦。有2种解决办法：
- 从图像中crop一部分传入网络
- 将图像warp成需要的大小后传入网络
图13 crop与warp破坏图像原有结构信息
两种办法的示意图如图13，可以看到无论采取那种办法都不好，要么crop后破坏了图像的完整结构，要么warp破坏了图像原始形状信息。回忆RPN网络生成的proposals的方法：对foreground anchors进行bound box regression，那么这样获得的proposals也是大小形状各不相同，即也存在上述问题。所以Faster RCNN中提出了RoI Pooling解决这个问题（需要说明，RoI Pooling确实是从SPP发展而来，但是限于篇幅这里略去不讲，有兴趣的读者可以自行查阅相关论文）。
3.2 RoI Pooling原理
缩进分析之前先来看看RoI Pooling Layer的caffe prototxt的定义：
layer {
name: "roi_pool5"
type: "ROIPooling"
bottom: "conv5_3"
bottom: "rois"
top: "pool5"
roi_pooling_param {
pooled_w: 7
pooled_h: 7
spatial_scale: 0.0625 # 1/16
}
}
其中有新参数pooled_w=pooled_h=7，另外一个参数spatial_scale=1/16应该能够猜出大概吧。
缩进RoI Pooling layer forward过程：在之前有明确提到：proposal=[x1, y1, x2, y2]是对应MxN尺度的，所以首先使用spatial_scale参数将其映射回(M/16)x(N/16)大小的feature maps尺度（这里来回多次映射，是有点绕）；之后将每个proposal水平和竖直都分为7份，对每一份都进行max pooling处理。这样处理后，即使大小不同的proposal，输出结果都是7x7大小，实现了fixed-length output（固定长度输出）。
图14 proposal示意图
4 Classification
从PoI Pooling获取到7x7=49大小的proposal feature maps后，送入后续网络，可以看到做了如下2件事：
- 通过全连接和softmax对proposals进行分类，这实际上已经是识别的范畴了
- 再次对proposals进行bounding box regression，获取更高精度的rect box
图16 全连接层示意图
其计算公式如下：
其中W和bias B都是预先训练好的，即大小是固定的，当然输入X和输出Y也就是固定大小。所以，这也就印证了之前Roi Pooling的必要性。到这里，我想其他内容已经很容易理解，不在赘述了。
5 Faster RCNN训练
- 在已经训练好的model上，训练RPN网络，对应stage1_rpn_train.pt
- 利用步骤1中训练好的RPN网络，收集proposals，对应rpn_test.pt
- 第一次训练Fast RCNN网络，对应stage1_fast_rcnn_train.pt
- 第二训练RPN网络，对应stage2_rpn_train.pt
- 再次利用步骤4中训练好的RPN网络，收集proposals，对应rpn_test.pt
- 第二次训练Fast RCNN网络，对应stage2_fast_rcnn_train.pt
可以看到训练过程类似于一种“迭代”的过程，不过只循环了2次。至于只循环了2次的原因是应为作者提到："A similar alternating training can be run for more iterations, but we have observed negligible improvements"，即循环更多次没有提升了。接下来本章以上述6个步骤讲解训练过程。
5.1 训练RPN网络
缩进在该步骤中，首先读取RBG提供的预训练好的model（本文使用VGG），开始迭代训练。来看看stage1_rpn_train.pt网络结构，如图17。
图17 stage1_rpn_train.pt
（考虑图片大小，Conv Layers中所有的层都画在一起了，如红圈所示，后续图都如此处理）
与检测网络类似的是，依然使用Conv Layers提取feature maps。整个网络使用的Loss如下：
上述公式中，i表示anchors index，pi表示foreground softmax predict概率，pi*代表对应的GT predict概率（即当第i个anchor与GT间IoU>0.7，认为是该anchor是foreground，pi*=1；反之IoU<0.3时，认为是该anchor是background，pi*=0；至于那些0.3<IoU<0.7的anchor则不参与训练）；t代表predict bounding box，t*代表对应foreground anchor对应的GT box。可以看到，整个Loss分为2部分：
- cls loss，即rpn_cls_loss层计算的softmax loss，用于分类anchors为forground与background的网络训练
- reg loss，即rpn_loss_bbox层计算的soomth L1 loss，用于bounding box regression网络训练。注意在该loss中乘了pi*，相当于只关心foreground anchors的回归（其实在回归中也完全没必要去关心background）。
缩进由于在实际过程中，Ncls和Nreg差距过大，用参数λ平衡二者（如Ncls=256，Nreg=2400时设置λ=10），使总的网络Loss计算过程中能够均匀考虑2种Loss。这里比较重要是Lreg使用的soomth L1 loss，计算公式如下：
缩进了解数学原理后，反过来看图17：
- 在RPN训练阶段，rpn-data（python AnchorTargetLayer）层会按照和test阶段Proposal层完全一样的方式生成Anchors用于训练
- 对于rpn_loss_cls，输入的rpn_cls_scors_reshape和rpn_labels分别对应p与p*，Ncls参数隐含在p与p*的caffe blob的大小中
- 对于rpn_loss_bbox，输入的rpn_bbox_pred和rpn_bbox_targets分别对应t于t*，rpn_bbox_inside_weigths对应p*，rpn_bbox_outside_weights对应λ，Nreg同样隐含在caffe blob大小中
这样，公式与代码就完全对应了。特别需要注意的是，在训练和检测阶段生成和存储anchors的顺序完全一样，这样训练结果才能被用于检测！
5.2 通过训练好的RPN网络收集proposals
缩进在该步骤中，利用之前的RPN网络，获取proposal rois，同时获取foreground softmax probability，如图18，然后将获取的信息保存在python pickle文件中。该网络本质上和检测中的RPN网络一样，没有什么区别。
5.3 训练Fast RCNN网络
缩进读取之前保存的pickle文件，获取proposals与foreground probability。从data层输入网络。然后：
- 将提取的proposals作为rois传入网络，如图19蓝框
- 将foreground probability作为bbox_inside_weights传入网络，如图19绿框
- 通过caffe blob大小对比，计算出bbox_outside_weights（即λ），如图19绿框
这样就可以训练最后的识别softmax与最终的bounding regression了，如图19。
图19 stage1_fast_rcnn_train.pt
之后的训练都是大同小异，不再赘述了。
PS：我知道你们想问，画图工具：http://ethereon.github.io/netscope/#/editor
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Faster RCNN的分析就结束了，之后会缓慢更新YOLO，YOLO V2，SSD，Mask RCNN等内容，敬请期待~
