SSD论文理解

SSD论文贡献：

1. 引入了一种单阶段的检测器，比以前的算法YOLO更准更快，并没有使用RPN和Pooling操作；

2. 使用一个小的卷积滤波器应用在不同的feature map层从而预测BB的类别的BB偏差；

3. 可以在更小的输入图片中得到更好的检测效果（相比Faster-rcnn）；

4. 在多个数据集（PASCAL、VOC、COCO、ILSVRC）上面的测试结果表明，它可以获得更高的mAp值；

This results in a significant improvement in speed for high-accuracy detection（59 FPS with mAP 74.3% on VOC2007 test, vs Faster-rcnn 7 FPS with mAP 73.2% or YOLO 45 FPS with mAP 63.4%）

图1 SSD和其它算法的性能比较

一、SSD网络总体架构

1. 输入一幅图片（300x300），将其输入到预训练好的分类网络中来获得不同大小的特征映射，修改了传统的VGG16网络；

• 将VGG16的FC6和FC7层转化为卷积层，如图1上的Conv6和Conv7；
• 去掉所有的Dropout层和FC8层；
• 添加了Atrous算法（hole算法）；
• 将Pool5从2x2-S2变换到3x3-S1；

2. 抽取Conv4_3、Conv7、Conv8_2、Conv9_2、Conv10_2、Conv11_2层的feature map，然后分别在这些feature map层上面的每一个点构造6个不同尺度大小的BB，然后分别进行检测和分类，生成多个BB，如图1下面的图所示；

3. 将不同feature map获得的BB结合起来，经过NMS（非极大值抑制）方法来抑制掉一部分重叠或者不正确的BB，生成最终的BB集合（即检测结果）；

二、 SSD算法细节

1. 多尺度特征映射

A.传统算法与SSD算法的思路比较：

如上图所示，我们可以看到左边的方法针对输入的图片获取不同尺度的特征映射，但是在预测阶段仅仅使用了最后一层的特征映射；而SSD不仅获得不同尺度的特征映射，同时在不同的特征映射上面进行预测，它在增加运算量的同时可能会提高检测的精度，因为它具有更多的可能性。

B.Faster-rcnn与SSD比较：

如图所示，对于BB的生成，Faster-rcnn和SSD有不同的策略，但是都是为了同一个目的，产生不同尺度，不同形状的BB，用来检测物体。对于Faster-rcnn而言，其在特定层的Feature map上面的每一点生成9个预定义好的BB，然后进行回归和分类操作进行初步检测，然后进行ROI Pooling和检测获得相应的BB；而SSD则在不同的特征层的feature map上的每个点同时获取6个不同的BB，然后将这些BB结合起来，最后经过NMS处理获得最后的BB。

C.原因剖析：

输入一幅汽车的图片，我们将其输入到一个卷积神经网络中，在这期间，经历了多个卷积层和池化层，我们可以看到在不同的卷积层会输出不同大小的feature map（这是由于pooling层的存在，它会将图片的尺寸变小），而且不同的feature map中含有不同的特征，而不同的特征可能对我们的检测有不同的作用。总的来说，浅层卷积层对边缘更加感兴趣，可以获得一些细节信息，而深层网络对由浅层特征构成的复杂特征更感兴趣，可以获得一些语义信息，对于检测任务而言，一幅图像中的目标有复杂的有简单的，对于简单的patch我们利用浅层网络的特征就可以将其检测出来，对于复杂的patch我们利用深层网络的特征就可以将其检测出来，因此，如果我们同时在不同的feature map上面进行目标检测，理论上面应该会获得更好的检测效果。

D.SSD多尺度特征映射细节：

SSD算法中使用到了conv4_3,conv_7，conv8_2,conv7_2,conv8_2,conv9_2,conv10_2,conv11_2这些大小不同的feature maps，其目的是为了能够准确的检测到不同尺度的物体，因为在低层的feature map,感受野比较小，高层的感受野比较大，在不同的feature map进行卷积，可以达到多尺度的目的。

2. Defalut box

如上图所示，在特征图的每个位置预测K个BB，对于每一个BB，预测C个类别得分，以及相对于Default box的4个偏移量值，这样总共需要（C+4）* K个预测器，则在m*n的特征图上面将会产生（C+4）* K * m * n个预测值。
Defalut box分析：

我们总共可以获得8732个box，然后我们将这些box送入NMS模块中，获得最终的检测结果。

3. LOSS计算

与常见的 Object Detection模型的目标函数相同，SSD算法的目标函数分为两部分：计算相应的default box与目标类别的confidence loss以及相应的位置回归。

其中N是match到Ground Truth的default box数量；而alpha参数用于调整confidence loss和location loss之间的比例，默认alpha=1。

三、SSD提高精度的方法

1. 数据增强

SSD训练过程中使用的数据增强对网络性能影响很大，大约有6.7%的mAP提升。

(1) 随机剪裁：采样一个片段，使剪裁部分与目标重叠分别为0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9，剪裁完resize到固定尺寸。

(2) 以0.5的概率随机水平翻转。

2. Hard Negative Mining技术

一般情况下negative default boxes数量是远大于positive default boxes数量，如果随机选取样本训练会导致网络过于重视负样本（因为抽取到负样本的概率值更大一些），这会使得loss不稳定。因此需要平衡正负样本的个数，我们常用的方法就是Hard Ngative Mining，即依据confidience score对default box进行排序，挑选其中confidience高的box进行训练，将正负样本的比例控制在positive：negative=1：3，这样会取得更好的效果。如果我们不加控制的话，很可能会出现Sample到的所有样本都是负样本（即让网络从这些负样本中找正确目标，这显然是不可以的），这样就会使得网络的性能变差。

3. 匹配策略（即如何重多个default box中找到和ground truth最接近的box）

• 首先，寻找与每一个ground truth有最大的IoU的default box，这样就能保证ground truth至少有default box匹配；
• SSD之后又将剩余还没有配对的default box与任意一个ground truth尝试配对，只要两者之间的IoU大于阈值（SSD 300 阈值为0.5），就认为match；
• 配对到ground truth的default box就是positive，没有配对的default box就是negative。

总之，一个ground truth可能对应多个positive default box，而不再像MultiBox那样只取一个IoU最大的default box。其他的作为负样本（每个default box要么是正样本box要么是负样本box）。

4. 是否在基础网络部分的conv4_3进行检测

基础网络部分特征图分辨率高，原图中信息更完整，感受野较小，可以用来检测图像中的小目标，这也是SSD相对于YOLO检测小目标的优势所在。增加对基础网络conv4_3的特征图的检测可以使mAP提升4%。

5. 使用瘦高与宽扁默认框

数据集中目标的开关往往各式各样，因此挑选合适形状的默认框能够提高检测效果。作者实验得出使用瘦高与宽扁默认框相对于只使用正方形默认框有2.9%mAP提升。

6. Atrous Algothrim（获得更加密集的得分映射）

作用：既想利用已经训练好的模型进行fine-tuning，又想改变网络结构得到更加dense的score map。
这个解决办法就是采用Hole算法。

7. NMS（非极大值抑制）
在SSD算法中，NMS至关重要，因为多个feature map 最后会产生大量的BB，然而在这些BB中存在着大量的错误的、重叠的、不准确的BB，这不仅造成了巨大的计算量，如果处理不好会影响算法的性能。仅仅依赖于IOU（即预测的BB和GT的BB之间的重合率）是不现实的，IOU值设置的太大，可能就会丢失一部分检测的目标，即会出现大量的漏检情况；IOU值设置的太小，则会出现大量的重叠检测，会大大影响检测器的性能，因此IOU的选取也是一个经验活，常用的是0.65，建议使用论文中作者使用的IOU值，因为这些值一般都是最优值。即在IOU处理掉大部分的BB之后，仍然会存在大量的错误的、重叠的、不准确的BB，这就需要NMS进行迭代优化。

四、评价

1. SSD加速的原因

表2 SSD的BB个数

如上图所示，当Faster-rcnn的输入分辨率为1000x600时，产生的BB是6000个；当SSD300的输入分辨率为300x300时，产生的BB是8372个；当SSD512的输入分辨率为512x512时，产生的BB是24564个，大家像一个情况，当SSD的分辨率也是1000x600时，会产生多少个BB呢？这个数字可能会很大！但是它却说自己比Faster-rcnn和YOLO等算法快很多，我们来分析分析原因。

原因1：首先SSD是一个单阶段网络，只需要一个阶段就可以输出结果；而Faster-rcnn是一个双阶段网络，尽管Faster-rcnn的BB少很多，但是其需要大量的前向和反向推理（训练阶段），而且需要交替的训练两个网络；
原因2：Faster-rcnn中不仅需要训练RPN，而且需要训练Fast-rcnn，而SSD其实相当于一个优化了的RPN网络，不需要进行后面的检测，仅仅前向推理就会花费很多时间；
原因3：YOLO网络虽然比SSD网络看起来简单，但是YOLO网络中含有大量的全连接层，和FC层相比，CONV层具有更少的参数；同时YOLO获得候选BB的操作比较费时；
原因4：SSD算法中，调整了VGG网络的架构，将其中的FC层替换为CONV层，这一点会大大的提升速度，因为VGG中的FC层都需要大量的运算，有大量的参数，需要进行前向推理；
原因5：使用了atrous算法，具体的提速原理还不清楚，不过论文中明确提出该算法能够提速20%。
原因6：SSD设置了输入图片的大小，它会将不同大小的图片裁剪为300x300，或者512x512，和Faster-rcnn相比，在输入上就会少很多的计算，不要说后面的啦，不快就怪啦！！！

2. SSD算法的优缺点

优点：运行速度超过YOLO，精度超过Faster-rcnn（一定条件下，对于稀疏场景的大目标而言）。

缺点：

需要人工设置prior box的min_size，max_size和aspect_ratio值。网络中default box的基础大小和形状不能直接通过学习获得，而是需要手工设置。而网络中每一层feature使用的default box大小和形状恰好都不一样，导致调试过程非常依赖经验。(相比之下，YOLO2使用聚类找出大部分的anchor box形状，这个思想能直接套在SSD上)
虽然采用了pyramdial feature hierarchy的思路，但是对小目标的recall依然一般，并没有达到碾压Faster RCNN的级别。可能是因为SSD使用conv4_3低级feature去检测小目标，而低级特征卷积层数少，存在特征提取不充分的问题。
个人观点：SSD到底好不好，需要根据你的应用和需求来讲，真正合适你的应用场景的检测算法需要你去做性能验证，比如你的场景是密集的包含多个小目标的，我很建议你用Faster-rcnn，针对特定的网络进行优化，也是可以加速的；如果你的应用对速度要求很苛刻，那么肯定首先考虑SSD，至于那些测试集上的评估结果，和真实的数据还是有很大的差距，算法的性能也需要进一步进行评估。

参考：

https://blog.csdn.net/WZZ18191171661/article/details/79444217

https://www.cnblogs.com/fariver/p/7347197.html