目标检测之R-FCN

R-FCN:Object Detection via Region-based Fully Convolutional Networks

R-FCN的网络结构

一个Base的convolutional网络如RestNet101，一个RPN（Faster RCNN来的），一个Postition Sensitive的prediction层，最后的RoI pooling+ 投票的决策层

R-FCN的关键思想

1. 分类需要特征具有平移不变性，检测则要求对目标的平移做出准确的相应。现在大部分CNN在分类上可以做的很好，但用在检测上效果不佳。SPP，Faster R-CNN类的方法在ROI Pooling前都是卷积，是具备平移不变性的，但一旦插入RoI pooling之后，后面的网络结构就不再具备平移不变性了。因此本文提出postition sensitive score map，这个概念是能把目标的位置信息融合进ROI pooling
2. 对于region-based的检测方法，以Faster R-CNN为例，实际上分成了几个subnetwork，第一个subnetwork用来在整张图上做比较耗时的conv，这些操作与region无关，是计算共享的。第二个subnetwork是用来产生候选的boundingbox（如RPN），第三个subnetwork用来分类或进一步对box进行regression（如Fast R-CNN），这个subnetwork和region是有关系的，必须每个region单独跑网络，衔接在这个subnetwork中间的就是RoI pooling，希望的是将耗时的卷积都尽量移到前面共享的subnetwork上，因此和Faster R-CNN中用的ResNet（前91层共享，插入ROI pooling，后10层不共享）策略不同，本文把所有的101层都放在前面共享的subnetwork。最后用来prediction卷积只有1层，大大减少了计算量

R-CNN，Faster R-CNN，R-FCN共享的卷积子网络深度以及RoI子网络深度对比：

方法细节

• Backbone architecture：ResNet 101——去掉原始ResNet101的最后一层全连接层，保留前100层，再接一个1*1*1024的全卷积层（100层输出的是2048，为了降低维度，再引入一个1*1的卷积层）；
• K^2 * 2 （C + 1）的conv：ResNet101的输出是W*H*1024，用K^2（C + 1）个1024*1*1的卷积核去卷积，即可得到K^2（C + 1）个大小为W*H的position sensitive的score map。这步的卷积操作就是在做prediction。K = 3，表示把一个RoI划分成3*3，对应的9个位置分别是上左，上中，上右，中左，中中，中右，下左，下中，下右。

• K^2（C + 1）个feature map的物理意义：共有k*k = 9个颜色，每个颜色的立体块（W*H*(C+1)）表示的是不同位置存在目标的概率值。共有K^2*（C + 1）个feature map。每个feature map，z（i，j，c）是第i+k（j - 1）个立体块上的第c个map（1 <=i,j <=3）,(i,j)决定了9种位置的某一种位置，假设左上角位置（i=j=1），c决定了哪一类，假设为person类，在z（i，j，c）这个feature map上的某一个像素的位置是（x，y），像素值是value，则value表示的是原图对应的（x，y）这个位置可能是人（c = ‘presion’）且是人左上部分（i=j=1）的概率值。
• ROI pooling：就是faster RCNN中的ROI pooling，也就是一层的SPP结构。主要用来将不同大小的ROI对应的feature map映射成同样维度的特征，思路是不论多大的ROI，规定在上面画一个n*n个bin的网络，每个网络里所有像素值做一个pooling（平均），这样不论图像多大，pooling后的ROI特征维度都是n*n。注意一点ROI pooling是每个feature map单独做，不是多个channel一起。
• ROI pooling的输入和输出：ROI pooling操作的输入（对于C+1个类）是K^2*（C + 1）* W' * H' (W',H'是ROI的宽度和高度)的score map上某ROI对应的那个立体块，且该立体块组成一个新的K^2*（C + 1）* W' * H'立体块；每个颜色的立体块（C + 1）都只抠出对应位置的一个bin，把这k*k个bin组成新的立体块，大小为（C + 1）* W’ * H’。例如，下图中第一块黄色只取左上角的bin，最后一块淡蓝色只取右下角的bin，所有的bin重新组合就变成了类似右图的那个薄的立体块（图中的这个是池化后的输出，即每个面上的bin已经是一个像素，池化之前这个bin对应的是一个区域，是多个像素）。ROI pooling的输出为一个（C +1）* k * k的立体块，如下图中的右图：

• vote投票：k*k个bin直接进行求和（每个类单独做）得到每一类的score，并进行softmax得到每类的最终得分，并用于计算损失

• 损失函数：和Faster R-CNN类似，由分类loss和回归loss组成，分类用交叉熵损失（log loss），回归用L1-smooth损失

• 训练的样本选择策略：online hard example mining（OHEM）。主要思想就是对样本按loss进行排序，选择前面loss较小的，这个策略主要用来对负样本进行筛选，是的正负样本更加平衡。
• 训练细节：
  • • decay = 0.0005
    • momentum = 0.9
    • single-scale training: images are resized such that the scale (shorter side of image) is 600 pixels [6, 18].
    • 8 GPUs (so the effective mini-batch size is 8×), each GPU holds 1 image and selects B = 128 RoIs for backprop.
    • fine-tune learning rate = 0.001 for 20k mini-batches,  0.0001 for 10k mini-batches on VOC.
    • the 4-step alternating training between training RPN and training R-FCN.（类似于Faster RCNN）
    • 使用atrous（hole算法）

  

  实验结果

  • VOC2007和VOC2010上与Faster R-CNN的对比：R-FCN比Faster RCNN好！

  

  

  

  • 深度影响对比：101深度最好！

  

  • 候选区域选择算法对比：RPN比SS，EB好！

  

  • COCO库上与Faster R-CNN的对比：R-FCN比Faster RCNN好！

  

  • 效果示例：

  

  总结

  • R-FCN是在Faster R-CNN的框架上进行改造，第一，把base的VGG16换车了ResNet，第二，把Fast R-CNN换成了先用卷积做prediction，再进行ROI pooling。由于ROI pooling会丢失位置信息，故在pooling前加入位置信息，即指定不同score map是负责检测目标的不同位置。pooling后把不同位置得到的score map进行组合就能复现原来的位置信息。

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