目标检测（二十二）--R-FCN

无意中看到这个RFCN，瞬间有点蛋疼，因为当时用原始FasterRCNN的时候，替换了最后的全链接层为卷积层，还花了不少时间验证是否有性能损失，结果现在看到，原来有现成的验证过了。。。。

论文地址：https://arxiv.org/abs/1605.06409

虽然其比yolo，ssd出来的晚，不过看模型结构，更多的是针对faster rcnn的一个改进。

一路走来，不同模型都是为了解决不同的痛点而提出的：

rcnn证明了cnn提取的特征的有效性；

而spp解决了如何应对不同尺度feature map的问题；

fast rcnn通过roi pooling将需要应用到多个候选框上的基CNN模型进行共享，加快了速度并且提升了准确度；

而faster rcnn为了更进一步的共享基CNN，将本来需要由SS算法提取候选框的任务一并放入基CNN中，从而提出了RPN子网络；

那么问题来了，fast rcnn发明的ROI pooling中间是由全连接层（就是ROI pooling后分别在回归和分类之前的那层FC）存在，从而将前面的ROIpooling后的feature map 映射成两个部分（对象分类，坐标回归）；而越来越多的基CNN，如googlenet，resnet等全卷积网络证明了不要全链接层，效果不但更好，而且能适应不同尺度的图片无压力。本着解决下一个痛点的原则，rfcn应运而生。

主要的尴尬在于，这种从RCNN发展起来的目标检测思路，都是采用分类+位置回归的思路实现，基于CNN的分类算法，要求平移不变形越大越好，而回归又要求平移不变性越小越好。

R-FCN

rfcn是基于faster rcnn的基础上对roi pooling这部分进行了改进。那么我们为了消灭fast rcnn的roi pooling中的全连接层的最naive的想法自然就是丢弃全连接层（起到了融合特征和特征映射的作用），直接将roi pooling的生成的feature map 连接到最后的分类和回归层即可。不过作者们通过做实验发现，这样的结果导致的对象检测结果很差，并且受到《Deep residual learning for image recognition》的启发，认为这主要是：基CNN本身是对图像分类设计的，具有图像移动不敏感性；而对象检测领域却是图像移动敏感的，所以二者之间产生了矛盾。从而对roi pooling进行了很神奇的设计

图1.1 rfcn结构图

如图1.1所示，网络的第一印象，结构大体和faster rcnn很像，都是有个RPN子网络用来训练并生成一堆基于当前图像的对象候选框，而ROI Pooling 就不一样。

基础conv网络是ResNet101,一个RPN,一个位置敏感预测层，一个改进版ROI Pooling层（含投票决策）

2 - 改进的ROI Pooling

图2.1 rfcn中ROI Pooling结构图

如图2.1所示，假设图像经过了基CNN,到达了最后一层feature maps，接下来就是如fast rcnn中一样，提取当前feature map的ROI区域了，然而rfcn不是直接这么干。这里我们设计一个位置敏感的ROI Pooling：将fast rcnn中的ROI 划分成k∗k大小，即图片中本来获取的ROI区域，将其分成k∗k个区域（这里k=3，即分成9个部分）。假设该数据集一共由C类，那么再加个背景类，一共是C+1类。我们希望对每个类别都有各自的位置感应。

所以我们要设计的位置敏感得分map如图2.1中position-sensitive score maps（即从之前基CNN的feature maps，假设有n个通道，通过一样的卷积连接结构生成当前的相同大小map且有k^2(c+1)通道的位置敏感得分maps）。就是几个大色块并列的部分：每个色块表示对对象的特定位置进行敏感，而且每个色块大小中有C+1个map，所以该区域一共有k^2(C+1)个map，其中每个map的大小和之前那个基CNN的feature map大小一致。

那么接下来就需要介绍具体的怎么从position-sensitive score maps得到图2.1中右边那个k∗k大小，通道为C+1的map了。
这里就不贴论文公式了，我们以图解释

图2.2，从位置敏感得分map到位置敏感ROI pooling

2.1 ROI区域的分类

图2.2是在一个类别下而不是C+1个类别同时进行。假设我们图2.1的位置敏感mapk=3，那么当前一共有：

这么9个不同颜色的feature maps，其中每个feature maps中都有C+1个feature map。


左上	中上	右上
左中	中间	右中
左下	中下	右下

上述为划分成k∗k,且k=3情况下的位置对应关系

1 - 首先处理类别为1的部分，即如上面表格所示：
2 - 如图2.2中，就是这抽取出来的9个feature map，然后如图2.2所示，对每个feature map按照各自敏感的区域，将其框出来：比如在这9个feature map中第一个特征图表示左上位置，那么提取这个feature map的ROI区域，然后将其分成k∗k的网格，提取其表示的左上位置，即第一个网格；同理第二个表示中上的feature map提取其k∗k的网格中第二个网格，因为当前feature map表示的是中上位置，当前map的第二个网格也表示中上位置；
3 - 对抽取出来的部分进行求均值，然后按照位置组成一个k*k(即3*3)大小的矩阵；
4 - 对这个k*k大小的矩阵求和，得到一个值。
5 - 对类别2~C+1分别进行步骤1-4的操作，从而最终得到一个1*（C+1）这样的向量（如图2.1），将这个向量进行softmax，从而估计当前feature map对应的ROI区域是什么类别

2.2 ROI区域的回归

上面说到了从基CNN的feature map得到ROI pooling直到softmax的分类，这里接着说如何微调ROI本身的区域，这部分与分类其实很相似：

1 - 如图2.1的位置敏感maps是有k*k*(c+1)个通道的，我们依然从基CNN的feature map部分连接出一个4*k*k通道的maps（与位置敏感maps并列），用来做候选框坐标微调，如上面表格所示；
2 - 如分类部分的步骤1-4一样的操作，最后得到一个1∗4的向量，即x,y,w,h
3 - 按照之前的那些模型一样去计算目标函数即可

问题

问：为什么需要做如图2.2这种特定map的特定区域的选取，而不是直接在特定map上将整个ROI区域都选取？
答：将k设为1就行了，就是整个ROI选取，作者做过实验的，效果不好。