【CV论文阅读】Faster R-CNN: Towards Real-Time Object Detection with Region Proposal Networks

由RCNN到FAST RCNN一个很重要的进步是实现了多任务的训练，但是仍然使用Selective Search算法来获得ROI，而FASTER RCNN就是把获得ROI的步骤使用一个深度网络RPN来实现。一个FASTER RCNN可以看作是一个RPN + FAST RCNN的组合，两者通过共享CONV LAYERS组合在一起。

RPN网络

一张图片先经过CONV LAYERS得到feature map，图片的大小是任意的。然后，使用一个小的滑动网络，它与feature map的一个n*n的小窗口全连接。在论文中，n会取值3（但不知道是否指的是n*n个像素的窗口），虽然小窗口不大，但实际上由于feature map经过pooling和convolution，映射回输入图像会有一个很大的感受野。通过这个滑动的小网络提取ROI并映射到一个低纬度的特征向量，用于回归和分类（两个1*1的convolution layer）。

对于滑动的n*n的窗口，在每个位置都会预测k个regional proposal，称为anchor。每个anchor都以窗口为中心，它们有不同的尺度以及宽高比，论文中去k = 9，即3种尺度与3种宽高比。映射得到的低维特征向量，输入到两个box回归层与softmax（二分类，即logistic，用于预测窗口中有或者没有物体的概率）。例如一个VGGnet，它映射到的低维特征为512维，由于k = 9，而且回归层和分类层都是1*1的，因此输出层的参数有512 * (4 + 2) * 9个。如果feature map的大小为W * H，则总共会有W * H * k个anchors。

（n*n应该是一个卷积层，而VGG最后会有512个通道，每个anchor都会映射到低维的特征，而这低维的特征应该与通道数相关。。。。猜测， 额，这里的映射到低维的特征与anchor的关系确实有点模糊……）

论文中实现的不同尺度以及宽高比的anchor，而不需要多尺度的image或者filter。

RPN的损失函数

学习一个RPN的网络也是一个多任务的学习过程，是一个通过参数迁移后对网络进行fine tune的有监督过程，需要标示正类与负类。正例样本有两种（1）与一个ground truth的IOU最高的anchor（2）与任意一个ground truth的IOU高于0.7的anchor。于是，类似于FAST RCNN的定义，LOSS函数为：

其中为1如果anchor的正样例，否则为0。表示anchor里是一个object的概率。而即是FAST RCNN中smooth函数的定义。 是一个平衡因子，具体设置可以参考论文，它与Ncls和Nreg有关。

训练RPN

RPN的训练使用的是BP算法，权值更新使用随机梯度下降法实现。Mini_batch的抽样从单一的图片中选择anchor，尽量是的正例和负例的比是1:1。RPN权值的初始使用高斯分布初始化。

RPN与FAST RCNN的共享

由上图可以看出，RPN与FAST RCNN共享conv layer层以及feature map。论文中训练这个网络提供了几种方法：

（1）交替训练。首先训练RPN，得到proposal之后去训练FAST RCNN。得到的NETWORK又去训练RPN。迭代交替

（2）把两者近似的融合训练。如上图，中间层输出proposal去训练FAST RCNN。后向传播时，对于共享层像平常一样更新，把来自RPN的loss和FAST RCNN的loss结合。而对于proposal 的box坐标预测的梯度，直接忽略，因而得到一个近似的解。但实际上，proposal层的网络权值也是会更新的。

论文中采取一种新的不同于上述的方法：

（1）用imagenet模型初始化，独立训练一个RPN网络。

（2）仍然使用imagenet初始化，利用第一步得到的proposal作为输入训练一个FAST RCNN网络，此时参数完全不共享。

（3）用（2）得到的参数初始化RPN的网络，把RPN与FAST RCNN共享的卷积层的学习率设为0，仅更新RPN特有的网络层，重新训练，此时网络共享共有的卷积层。

（4）固定共享的层，加入FAST RCNN，fine tune它特有的网络。

细节：

对于每个anchor的三种scale为128*128，256*256，512*512,，三种宽高比1:1,1:2,2:1。

对于一些RPN的proposal，采用非极大值抑制的办法选择过滤一部分，减少冗余。