深度学习经典网络解析目标检测篇（二）：Fast R-CNN

深度学习经典网络解析目标检测篇（二）：Fast R-CNN

• 1.背景介绍
• 2.R-CNN 与 Fast R-CNN

• 2.1 R-CNN存在的问题：
• 2.2 Fast R-CNN改进

• 3. Fast R-CNN

• 3.1 检测步骤
• 3.2 创新点
• 3.3 网络结构
• 3.4 特征提取网络
• 3.5 特征提取 ROI Pooling Layer
• 3.6 分类回归 Multi-task loss
• 3.7 采用SVD分解改进全连接层
• 3.8 训练

• 参数初始化

• 3.9 测试

• 4. Smooth_L1损失函数（拓展）
• 5. 总结

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深度学习论文阅读目标检测篇（二）：Fast R-CNN《Fast R-CNN》

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1.背景介绍

  2014年R-CNN横空出世，首次将卷积神经网络带入目标检测领域。受SPPnet启发，rbg在15年发表Fast R-CNN，它的构思精巧，流程更为紧凑，大幅提高目标检测速度。

  在同样的最大规模网络上，Fast R-CNN和R-CNN相比，训练时间从84小时减少为9.5小时，测试时间从47秒减少为0.32秒。在PASCAL VOC 2007上的准确率相差无几，约在66%-67%之间。

2.R-CNN 与 Fast R-CNN

R-CNN具体详解见博客：深度学习经典网络解析目标检测篇（一）：R-CNN

2.1 R-CNN存在的问题：

  简单来说，R-CNN使用以下四步实现目标检测：

1. 在图像中确定约1000-2000个候选框
2. 对于每个候选框内图像块，使用深度网络提取特征
3. 对候选框中提取出的特征，使用分类器判别是否属于一个特定类
4. 对于属于某一特征的候选框，用回归器进一步调整其位置

但是R-CNN会存在以下问题:

1. R-CNN网络训练、测试速度都很慢：R-CNN网络中，一张图经由selective search算法提取约2k个建议框【这2k个建议框大量重叠】，而所有建议框变形后都要输入AlexNet CNN网络提取特征【即约2k次特征提取】，会出现上述重叠区域多次重复提取特征，提取特征操作冗余；
2. R-CNN网络训练、测试繁琐：R-CNN网络训练过程分为ILSVRC 2012样本下有监督预训练、PASCAL VOC 2007该特定样本下的微调、20类即20个SVM分类器训练、20类即20个Bounding-box回归器训练，该训练流程繁琐复杂；同理测试过程也包括提取建议框、提取CNN特征、SVM分类和Bounding-box回归等步骤，过于繁琐；
3. R-CNN网络训练需要大量存储空间：20类即20个SVM分类器和20类即20个Bounding-box回归器在训练过程中需要大量特征作为训练样本，这部分从CNN提取的特征会占用大量存储空间；
4. R-CNN网络需要对建议框进行形变操作后【形变为227×227 size】再输入CNN网络提取特征，其实像AlexNet CNN等网络在提取特征过程中对图像的大小并无要求，只是在提取完特征进行全连接操作的时候才需要固定特征尺寸【R-CNN中将输入图像形变为227×227可正好满足AlexNet CNN网络最后的特征尺寸要求】，然后才使用SVM分类器分类，R-CNN需要进行形变操作的问题在Fast R-CNN已经不存在。

2.2 Fast R-CNN改进

问题一：测试时速度慢 训练时速度慢

• 原因：R-CNN一张图像内候选框之间大量重叠，提取特征操作冗余。
• 解决：Fast R-CNN将整张图片归一化送入神经网络，在最后一层再加入候选框信息（这些候选框还是经过$Selective Search$提取，再经过一个$ROI$层统一映射到最后一层特征图上,而RCNN是通过拉伸来归一化尺寸），这样提取特征的前面层就不再需要重复计算。

问题三：训练所需空间大

• 原因：RCNN中独立的分类器和回归器需要大量特征作为训练样本。
• 解决：本文把类别判断和位置精调统一用深度网络实现，不再需要额外存储。损失函数使用了多任务损失函数(multi-task loss)，将边框回归直接加入到CNN网络中训练。

3. Fast R-CNN

3.1 检测步骤

RCNN算法流程可分为4个步骤

• 一张图像生成1K~2K个候选区域(使用Selective Search方法)
• 对每个候选区域，使用深度网络提取特征
• 特征送入每一类的SVM 分类器，判别是否属于该类
• 使用回归器精细修正候选框位置
  

Fast R-CNN算法流程可分为3个步骤

• 用selective search在一张图片中生成约2000个object proposal，即RoI。
• 把图像输入到卷积网络中，并输入候选框，在最后一个卷积层上对每个ROI求映射关系，并用一个RoI pooling layer来统一到相同的大小，得到 (fc)feature vector，即一个固定维度的特征表示。
• 继续经过两个全连接层（FC）得到特征向量。特征向量经由各自的FC层，得到两个输出向量：第一个是分类，使用softmax，第二个是每一类的bounding box回归。

3.2 创新点

1. 卷积不再是对每个region proposal进行，而是直接对整张图像，这样减少了很多重复计算。原来RCNN是对每个region proposal分别做卷积，因为一张图像中有2000左右的region proposal，肯定相互之间的重叠率很高，因此产生重复计算。
2. 用ROI pooling进行特征的尺寸变换，因为全连接层的输入要求尺寸大小一样，因此不能直接把region proposal作为输入。
3. 将regressor放进网络一起训练，每个类别对应一个regressor，同时用softmax代替原来的SVM分类器。

  在实际训练中，每个mini-batch包含2张图像和128个region proposal（或者叫ROI），也就是每张图像有64个ROI。然后从这些ROI中挑选约25%的ROI，这些ROI和ground truth的IOU值都大于0.5。另外只采用随机水平翻转的方式增加数据集。测试的时候则每张图像大约2000个ROI。

  损失函数的定义是将分类的loss和回归的loss整合在一起，其中分类采用log loss，即对真实分类（下图中的pu）的概率取负log，而回归的loss和R-CNN基本一样。分类层输出K+1维，表示K个类和1个背景类。

  Fast R-CNN 的改进可以用下面的图概括。其中，图1是原 RCNN 的做法，图3则是 Fast RCNN 的做法。

图一

图二

图三

3.3 网络结构

  Fast-RCNN依旧基于VGG16，首先输入的图片resize为224*224后放入CNN网络提取特征（5个卷积层和2个降采样层）

  VGG16网络结构：

  作者在第五个卷积层提取特征，并加上Selective Search产生的2K个ROI，通过ROI pooling层将这些ROI调整为固定维度，再通过两个output都是4096的全连接层后，将输出分为分类和回归两块，在分类模块中，输出通过一个output为21的全连接层（21表示20个类和一个背景）和一个softmax层，在回归模块中，输出通过一个output为48的全连接层（48表示各个类别region proposal的四个坐标）和SmoothL1Loss层。

  相比R-CNN最大的区别，在于RoI池化层和全连接层中目标分类与检测框回归微调的统一。

3.4 特征提取网络

  图像归一化为224×224直接送入网络。前五阶段是基础的conv+relu+pooling形式，在第五阶段结尾，输入P个候选区域（图像序号×1+几何位置×4，序号用于训练）。文中给出了大中小三种网络，此处示出最大的一种。三种网络基本结构相似，仅conv+relu层数有差别，或者增删了norm层。

3.5 特征提取 ROI Pooling Layer

  在Fast R-CNN中，作者提出了一个叫做ROI Pooling的网络层，这个网络层可以把不同大小的输入映射到一个固定尺度的特征向量。ROI Pooling层**将每个候选区域均匀分成M×N块，对每块进行max pooling。将特征图上大小不一的候选区域转变为大小统一的数据，送入下一层。**这样虽然输入的图片尺寸不同，得到的feature map（特征图）尺寸也不同，但是可以加入这个神奇的ROI Pooling层，对每个region都提取一个固定维度的特征表示，就可再通过正常的softmax进行类型识别。

  ROI Pooling Layer实际上是SPP Layer的简化版，SPP Layer对每个候选区域使用了不同大小的金字塔映射，即SPP Layer采用多个尺度的池化层进行池化操作；而RoI Pooling Layer只需将不同尺度的特征图下采样到一个固定的尺度(例如77)。例如对于VGG16网络conv5_3有512个特征图，虽然输入图像的尺寸是任意的，但是通过RoI Pooling Layer后，均会产生一个77512维度的特征向量作为全连接层的输入，即RoI Pooling Layer只采用单一尺度进行池化。如下图所示：

  对于每一个虚线窗口内的卷积特征，SPP层采用3种尺度池化层进行下采样，将每个虚线框分别分成11bin, 22bin, 44bin，对每个bin内的特征分别采用max pooling，这样一共21个bin共得到21维的特征向量，然后将该特征向量送入全连接层中。而对于RoI pooling层则采用一种尺度的池化层进行下采样，将每个RoI区域的卷积特征分成4*4个bin，然后对每个bin内采用max pooling，这样就得到一共16维的特征向量。SPP层和RoI pooling层使得网络对输入图像的尺寸不再有限制，同时RoI pooling解决了SPP无法进行权值更新的问题。

RoI pooling层有两个主要作用：

1. 将图像中的RoI区域定位到卷积特征中的对应位置.
2. 将这个对应后的卷积特征区域通过池化操作固定到特定长度的特征，然后将该特征送入全连接层。

3.6 分类回归 Multi-task loss

  在R-CNN中，先生成候选框，然后再通过CNN提取特征，之后再用SVM分类，最后再做回归得到具体位置（bbox regression）。而在Fast R-CNN中，作者巧妙的把最后的bbox regression也放进了神经网络内部，与区域分类合并成为了一个multi-task模型，如下图所示：

loss_cls层评估分类代价。由真实分类u对应的概率决定：

$L_{c l s}=-\log p_{u}$

$t^{u}$ 和真实平移缩放参数为 $\mathrm{v}$ 的差别:

$L_{l o c}=\sum_{i=1}^{4} Smooth_{L1}\left(t_{i}^{u}-v_{i}\right)$

   $Smooth_{L1}$误差（$Smooth_{L1}$误差），对outlier不敏感:

$Smooth_{L1}= \begin{cases}0.5 x^{2} & |x|<1 \\ |x|-0.5 & \text { otherwise }\end{cases}$

  总代价为这两者加权和，如果分类为背景则不考虑定位代价：

$L= \begin{cases}L_{c l s}+\lambda L_{l o c} & u \text { 为前景 } \\ L_{c l s} & u \text { 为背景 }\end{cases}$

  损失函数的定义是将分类的loss和回归的loss整合在一起，其中分类采用log loss，即对真实分类的概率取负log，而回归的loss和R-CNN基本一样。分类层输出K+1维，表示K个类和1个背景类。最后将分类的loss和回归的loss整合在一起，作者将$λ$设为1

3.7 采用SVD分解改进全连接层

  如果是一个普通的分类网络，那么全连接层的计算应该远不及卷积层的计算，但是针对object detection，Fast RCNN在ROI pooling后每个region proposal都要经过几个全连接层，这使得全连接层的计算占网络的计算将近一半，如下图，所以作者采用SVD来简化全连接层的计算。

$x$ 后一级为 $y$, 全连接层参数为 $W$ ，尺寸为 $u^{*} v_{0}$ 一次前向传播即为:
$y=W * x$
  计算复杂度为
$u * v$
  将$W$进行SVD分解，并用前t个特征值近似：
$W=U \Sigma V T \approx U(:, 1: t) \cdot \Sigma(1: t, 1: t) \cdot V(:, 1: t) T$
  原来的前向传播分解成两步：
$y=W x=U \cdot(\Sigma \cdot V T) \cdot x=U \cdot z$
  计算复杂度变为 $u \times t+v \times t= (u+v)\times t$
$(u+v)\times t$与原来$u * v$相比大大减小

  在实现时，相当于把一个全连接层拆分成两个，中间以一个低维数据相连。

3.8 训练

参数初始化

  网络除去末尾部分如下图，在ImageNet上训练1000类分类器，结果参数作为相应层的初始化参数。其余参数随机初始化。

  在调优训练时，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张完整图片以50%概率水平翻转。R个候选框的构成方式如下：

类别	比例	类别
背景	75%	与某个真值重叠在[0.1,0.5]的候选框
前景	25%	与某个真值重叠在[0.5,1]的候选框

每次更新参数的训练步骤如下

1. 2张图像直接经过前面的卷积层获得特征图
2. 根据ground truth标注所有建议框的类别。具体步骤为，对每一个类别的ground truth，与它的IoU大于0.5的建议框标记为groud truth的类别，对于与ground truth的iou介于0.1到0.5之间的建议框，标注为背景类别
3. 每张图片随机选取64个建议框（要控制背景类的建议框占75%），提取出特征框
4. 特征框继续向下计算，进入两个并行层计算损失函数
5. 反向传播更新参数

3.9 测试

  前面和训练差不多，测试中对每个类型采用NMS算法，得到最终结果。

4. Smooth_L1损失函数（拓展）

Smooth_L1为了从两个方面限制梯度：

1. 当预测框与 ground truth 差别过大时，梯度值不至于过大；
2. 当预测框与 ground truth 差别很小时，梯度值足够小。

考察如下几种损失函数，其中 $x$ 为预测框与 groud truth 之间 elementwise 的差异:

$\begin{gathered} L_{2}(x)=x^{2} \\ L_{1}(x)=|x| \\ \operatorname{smooth}_{L_{1}}(x)= \begin{cases}0.5 x^{2} & \text { if }|x|<1 \\ |x|-0.5 & \text { otherwise }\end{cases} \end{gathered}$

损失函数对 $x$ 的导数分别为:

$\begin{gathered} \frac{\mathrm{d} L_{2}(x)}{\mathrm{d} x}=2 x \\ \frac{\mathrm{d} L_{1}(x)}{\mathrm{d} x}= \begin{cases}1 & \text { if } x \geq 0 \\ -1 & \text { otherwise }\end{cases} \\ \frac{\mathrm{d} \mathrm{} \operatorname{smooth}_{L_{1}}}{\mathrm{~d} x}= \begin{cases}x & \text { if }|x|<1 \\ \pm 1 & \text { otherwise }\end{cases} \end{gathered}$

  观察 (4)，当 $x$ 增大时 $L_{2}$ 损失对 $x$ 的导数也增大。这就导致训练初期，预测值与 groud truth 差异过于大时，损失函数对预测值的梯度十分大，训练不稳定。

  根据方程 (5)， $L_{1}$ 对 $x$ 的导数为常数。这就导致训练后期，预测值与 ground truth 差异很小 时， $L_{1}$ 损失对预测值的导数的绝对值 $a$ 仍然为 1 ，而 learning rate 如果不变，损失函数将在稳 定值附近波动，难以继续收玫以达到更高精度。

  最后观察 (6)， $\operatorname{smooth}_{L_{1}}$ 在 $x$ 较小时，对 $x$ 的梯度也会变小，而在 $x$ 很大时，对 $x$ 的梯 度的绝对值达到上限 1 , 也不会太大以至于破坏网络参数。 $\operatorname{smooth}_{L_{1}}$ 完美地避开了 $L_{1}$ 和 $L_{2}$ 损失的缺陷。其函数图像如下:

$L_1$ loss 很接近，而在坐标原点附近，转折十分平滑，不像 $L_1$ loss 有个尖角，因此叫做 smooth $L_1$loss。

5. 总结

  Fast R-CNN在很大程度上实现了end-to-end（除了生成2K个候选区域的Selective Search算法），并通过只进行一次卷积运算、使用SVD加速全连接层等大大提高了运算效率，但同时Selective Search算法依旧使得Fast R-CNN的运行时间很长，这也是后续Faster RCNN的改进方向之一。

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