CNN结构：用于检测的CNN结构进化-分离式方法

前言：

原文链接：基于CNN的目标检测发展过程文章有大量修改，如有不适，请移步原文.

参考文章：图像的全局特征--用于目标检测

目标的检测和定位中一个很困难的问题是，如何从数以万计的候选窗口中挑选包含目标物的物体。只有候选窗口足够多，才能保证模型的 Recall。传统机器学习方法应用，使用全局特征+级联分类器的思路仍然被持续使用。常用的级联方法有haar/LBP特征+Adaboost决策树分类器级联检测和HOG特征 + SVM分类器级联检测。

DPM方法为08年提出的一种可进行级联（2010）的图像目标检测方法，RBG阐述，“Deformable Part Models are Convolutional Neural Networks”（http://arxiv.org/abs/1409.5403），可以视为CNN检测方法的前驱。

目标检测的几个阶段：分类、分类+定位、多目标检测、语义分割

引言

图像的全局特征：HOG特征和DPM模型......

~~孔涛在知乎上这样写到。~~

目前，基于CNN的目标检测框架主要有两种：

一种是 one-stage ，例如 YOLO、SSD 等，这一类方法速度很快，但识别精度没有 two-stage 的高，其中一个很重要的原因是，利用一个分类器很难既把负样本抑制掉，又把目标分类好。

另外一种目标检测框架是 two-stage ，以 Faster RCNN 为代表，这一类方法识别准确度和定位精度都很高，但存在着计算效率低，资源占用大的问题。

预训练模型-用于分类的CNN

大多数模型并非一开始就设计网络结构，使用数据进行训练网络结构，而使用ImageNet上训练好的CNN结构。R-CNN文献paper给我们证明了一个理论，如果你不进行fine-tuning，也就是你直接把Alexnet模型使用于工程，类似于HOG、SIFT一样做特征提取，说明使用ImageNet训练过的CNN结构已经在特征提取方面达到了HOG的效果。

文章这样说：不针对特定的任务。然后把提取的特征用于分类，结果发现p5的精度竟然跟f6、f7差不多，而且f6提取到的特征还比f7的精度略高；如果你进行fine-tuning了，那么f7、f6的提取到的特征最会训练的svm分类器的精度就会飙涨。

Two-Stage方法

Two-Stage方法为Region proposal和CNN分离的方法，把检测问题分解为原始的寻找框和目标分类两步问题。先后出现R-CNN、SPP-NET、Fast R-CNN、Faster R-CNN、R-FCN、Mask RCNN。

Two-Stage方法主要问题是从大量框选取候选框问题，使用的方法有：objectness [1],selective search [39],category-independent object proposals [14], constrained parametric min-cuts (CPMC) [5], multi-scale combinatorial grouping [3], and Cires¸an et al. [6], who detect mitotic cellsby applying a CNN to regularly-spaced square crops, which are a special case of region proposals.

While R-CNN is agnostic to the particular region proposal method, we useselective search to enable a controlled comparison with prior detection work (e.g., [39, 41]).。R-CNN使用了selective search方法，下图为一个评测。

参考文章：基于CNN的目标检测发展过程

参考文章：基于R-CNN的物体检测看一下即可

R-CNN方法

2014年CVPR上的经典paper：《Rich feature hierarchies for Accurate Object Detection and Segmentation》，这篇文章的算法思想又被称之为：R-CNN（Regions with Convolutional Neural Network Features），是物体检测领域曾经获得state-of-art精度的经典文献。

这篇paper的思想，改变了物体检测的总思路，现在好多文献关于深度学习的物体检测的算法，基本上都是继承了这个思想，比如：《Spatial Pyramid Pooling in Deep Convolutional Networks for Visual Recognition》。

R-CNN的检测步骤：

分别在选框和CNN两个步骤进行了优化。

步骤一：预训练（或者下载）一个分类模型（比如AlexNet）；
       步骤二：对该模型做fine-tuning：　将分类数从1000改为20；去掉最后一个全连接层（使用SVM分类）；
     步骤三：1.特征提取
　　    • 提取图像的所有候选框（选择性搜索-selective search）
　　    • 对于每一个区域：修正区域大小以适合CNN的输入，做一次前向运算，将第五个池化层的输出（就是对候选框提取到的特征）存到硬盘

步骤四：2.训练一个SVM分类器（二分类）来判断这个候选框里物体的类别
• 每个类别对应一个SVM，判断是不是属于这个类别，是就是positive，反之nagative

步骤五：3.使用回归器精细修正候选框位置：对于每一个类，训练一个线性回归模型去判定这个框是否框得完美。

R-CNN使用精细调整选定框的方法实现了较高的检测性能。mAP和IOU都达到了一个很高的标准。

使用的selective search方法，参考："Selective search for object recognition." International journal of computer vision, 104(2) (2013): 154-171.此文必看：selective search方法。

这一步可以看做是对图像的过分割,都是过分割,本文SS方法的过人之处在于预先划分的区域什么大小的都有(满足目标多尺度的要求),而且对过分割的区域还有一个合并的过程(区域的层次聚类),最后剩下的都是那些最可能的候选区域,然后在这些已经过滤了一遍的区域上进行后续的识别等处理,这样的话,将会大大减小候选区域的数目,提供了算法的速度。参考超像素分割聚类过程。

举例一般合并规则：

优先合并以下四种区域：
- 颜色（颜色直方图）相近的
- 纹理（梯度直方图）相近的
- 合并后总面积小的
- 合并后，总面积在其BBOX中所占比例大的

第三条，保证合并操作的尺度较为均匀，避免一个大区域陆续“吃掉”其他小区域。

例：设有区域a-b-c-d-e-f-g-h。较好的合并方式是：ab-cd-ef-gh -> abcd-efgh -> abcdefgh。
不好的合并方法是：ab-c-d-e-f-g-h ->abcd-e-f-g-h ->abcdef-gh -> abcdefgh。

第四条，保证合并后形状规则。

例：左图适于合并，右图不适于合并。

上述四条规则只涉及区域的颜色直方图、纹理直方图、面积和位置。合并后的区域特征可以直接由子区域特征计算而来，速度较快

SPP Net

SPP：Spatial Pyramid Pooling（空间金字塔池化）

参考文章：SPP-Net：CNNs添加一尺度不变特征-神经元层

它的特点有两个:

1. 结合空间金字塔方法实现CNNs的对尺度输入的可变性； 2. 只对原图提取一次卷积特征。
空间金字塔池化：一般CNN后接全连接层或者分类器，他们都需要固定的输入尺寸，因此不得不对输入数据进行crop或者warp，这些预处理会造成数据的丢失或几何的失真。SPP Net的第一个贡献就是将金字塔思想加入到CNN，实现了数据的多尺度输入。

一次性卷积特征提取：在R-CNN中，每个候选框先resize到统一大小，然后分别作为CNN的输入，这样是很低效的。

所以SPP Net根据这个缺点做了优化：只对原图进行一次卷积得到整张图的feature map，然后找到每个候选框zaifeature map上的映射patch，将此patch作为每个候选框的卷积特征输入到SPP layer和之后的层。节省了大量的计算时间，比R-CNN有一百倍左右的提速。

RCNN的缺点：一、没有共享卷积运算；二、即使使用了selective search等预处理步骤来提取潜在的bounding box作为输入，但是RCNN仍会有严重的速度瓶颈，原因也很明显，就是计算机对所有region进行特征提取时会有重复计算，Fast-RCNN正是为了解决这个问题诞生的。

Fast R-CNN 和Faster R-CNN

R-CNN的进阶版Fast R-CNN就是在RCNN的基础上采纳了SPP Net方法，对RCNN作了改进，使得性能进一步提高。成功的让人们看到了Region Proposal+CNN这一框架实时检测的希望，原来多类检测真的可以在保证准确率的同时提升处理速度，也为后来的Faster-RCNN做下了铺垫。

Faster R-CNN的主要贡献是设计了提取候选区域的网络RPN，代替了费时的选择性搜索，使得检测速度大幅提高。加入一个提取边缘的神经网络，也就说找到候选框的工作也交给神经网络来做了。此外RPN网络和识别网络共享卷积层，加快数据forward速度。做这样的任务的神经网络叫做Region Proposal Network(RPN)。

具体做法：
　　• 将RPN放在最后一个卷积层的后面；
　　• RPN直接训练得到候选区域。怎么训练？

具体方案还要好好看看论文：Faster R-CNN Towards Real-Time Object Detection with Region Proposal Networks。

算法总结：

RCNN：
　　1. 在图像中选择约1000-2000个候选框 (使用selective search)；2. 每个候选框内图像块缩放至相同大小，并输入到CNN内进行特征提取；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。

Fast RCNN：

添加SPP层，
　　1. 在图像中确定约1000-2000个候选框 (使用选择性搜索)；2. 对整张图片输进CNN，得到feature map；3. 找到每个候选框在feature map上的映射patch，将此patch作为每个候选框的卷积特征输入到SPP layer和之后的层；4. 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；5. 对于属于某一特征的候选框，用回归器进一步调整其位置。

Faster RCNN：
　　1. 对整张图片输进CNN，得到feature map；2. 卷积特征输入到RPN，得到候选框的特征信息；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。

值得注意的是，尽管RPN与fast rcnn 共享卷积层，但是在模型训练的过程中，需要反复训练RPN网络和fast rcnn 网络（两个网络的核心卷积层是共享的），不能有所偏颇，网络共享主要作用还是推进forward的速度。

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