Fast R-CNN | 易学教程

Fast R-CNN是对R-CNN、SPPnet的一个改进，主要是提高了训练和测试的速度，也提高了测试的精度。下面讲一讲这篇文章怎么实现速度和精度的提升的。

1.介绍

1.1 R-CNN网络的缺点

多阶段的训练。R-CNN的训练有三大步：用log损失微调CNN得到特征提取器；使用候选框的特征图训练SVMs分类器，这里抛弃的softmax分类器；训练bounding-box regressor精修候选框。
训练消耗大量的时间和空间。在训练SVMs和bounding-box regressor时候，需要保存每个候选框的特征图，这个特征图要几百G的空间。
目标检测很慢。测试的时候，是先提取候选框，再分别进行特征提取，这个过程有大量的冗余计算。

1.2 Fast R-CNN的工作

更高的mAP。
一次性训练参数（single-stage training），用multi-task loss实现一次性训练。
训练中可以更新所有的网络参数。
不需要额外保存特征图。

2. Fast R-CNN的结构、训练

Fast-RCNN的输入是：完整的图片、候选框集合；输出是K+1类别的概率分布、K个类别的refined参数。过程如下：

1）把原始图片送入CNN进行特征提取，得到特征图。
2）对于每个候选框对应的特征子图，RoI Pooling从中提取出固定长度的特征向量。
3）每个特征向量先经过一系列全连接层，然后送入两个输出层：第一个是softmax概率估计，这个概率分布是K+1个类别上的，添加了一个背景类；第二个是对候选框做精修，每个类别（不包含background类）输出四个值，表示中心点的如何移动，长宽如何缩放。

2.1 Region of Interest Pooling

先解释一下Rol pooling如何把不同大小的特征子图，映射到固定的特征向量。RoI pooling使用的是最大池化。假设池化输出特征图大小为$Htimes W$，W和H这两个值和后面全连接层要求的输入向量的长度有关，当然也和特征图的个数有关。文章中提到，每个池化核有四个参数(r,c,h,w)，其中(r,c)表示这个核在特征图中开始的位置，(h,w)表示池化的区域。（实际上，这四个参数就确定了候选框在特征图上的一个位置）。

RoI max pooling把$htimes w$大小的特征子图划分为$Htimes W$的矩形网格，每个格子$frac{h}{H} times frac{w}{W} $大小，每个格子输出一个值。和标准的最大池化一样，RoI pooling独立的在每个通道中进行。RoI pooling是空间金字塔池化（SSPnets）的特例。

2.2 Initializing from pre-trained networks

需要修改一下拿过来的网络：

最后一个池化改成RoI pooling，池化的输出大小要和后面全连接要求的输入大小匹配。
一般网络后面是FC+Softmax，这里要改成两个输出头。
Fsat R-CNN需要两个输入：原始特征图，RoIs参数（标定了一系列特征子图，位置、大小）。

2.3 Fine-tuning for detection

2.3.1 如何标记候选框、mini-batch中样本的选择

Fast R-CNN的训练每个mini-batch采用分层的采样方式。每次使用N张图，每张图提取$frac{R}{N}$个RoI。一张图的RoIs共享前向、反向传播过程，所以一个mini-batch只有过N个传播过程。而R-CNN一次迭代有R个传播过程。比较一下R-CNN和Fast R-CNN：

模型	每个mini-batch使用原图数量	大专栏 Fast R-CNNxt-align:center">每张图提取RoI数量	RoI总量	传播过程
R-CNN	R	1	R	R
Fast R-CNN	N (N<R)	$frac{R}{N}$	R	N

Fast R-CNN在实际训练的时候，取N=2，R=128，也就是每张图片使用64个候选框。这64个RoI中，保证至少有25%的IoU>0.5，这些RoI被标记为相应类别（u>=1）（和R-CNN的方法一样）；剩下75%的样本，由那些最大IoU只在[0.1, 0.5)之间的RoI构成，这些被标记为background（u=0）。

文章中说与所有ground-truth的最大IoU在0.1以下的RoI用来做困难样本挖掘，但是困难的样本不应该是IoU接近0.5的background吗？这些是容易被误分类是某个foreground的。IoU在0.1之下的候选框，应该是很容易正确分类为background的啊？？？

训练中只用了一种数据增强：图片以0.5的概率水平翻转。

2.3.2 Multi-task loss

和R-CNN模型不同的是：

一次性训练特征提取器件、分类器、回归器，就是用multi-task loss，这里一般取$lambda=1$。
$$
L(p,u,t^u,v) = L_{cls}(p,u) + lambda [u>=1] L_{loc}(t^u,v)
$$
解释一下变量的含义：

$p = (p_0,p_1,…,p_K)$，分类器输出，对于每个RoI，在K+1个类别上的概率分布。

u：对于每个RoI，他的ground-truth class，就是label。

$t^u：t^k = (t^k_x,t^k_y,t^k_w,t^k_h)$表示某个RoI在第k类别上的偏移。

v：ground-truth bounding-box regression target，这里的$t^k$和$v$和R-CNN是一样的。

回归中，使用的损失函数不是平方损失+L2正则，而是$smooth_{L_1}$损失。首先$u>=1$表示回归中不考虑背景类(u=0)的损失（背景类没有ground-truth，也就没有回归的目标v这个量）。对于一个候选框，回归器在K个类别中分别输出四个参数$t^1,t^2,…,t^K$，如果候选框不是背景类，只考虑$t^u$与回归目标$v$的损失。这个损失的具体表达式如下：
$$
L_{loc}(t^u,v) = sum_{iin { {x,y,w,h}} } smooth_{L_1}(t^u_i - v_i)
$$
$$
smooth_{L_1}(x) = begin{cases}
0.5x^2 & if|x|<1 \
|x|-0.5 & otherwise \
end{cases}
$$

2.3.3 RoI pooling层的反向传播

记$x_i in R$是RoI层的输入特征图的i-th激活值，$y_{rj}$是r-th的RoI池化的j-th输出，则$y_{rj}$为其有效区域$R(r,j)$的最大值，一个输入$x_i$可能是不同$R(r,j)$的最大值：

$$
y_{rj}=x_{i^(r,j)} \
i^(r,j) = argmax_{i’ in R(r,j)}x_i’
$$

反向传播的时候，输入$x_i$的导数为：

$$
frac{partial L}{partial x_i} = sum_r sum_j [i = i*(r,j)]frac{partial L}{partial y_{rj}}
$$

就是说，对于RoI的某个输出值$y_{rj}$，BP会把此处的梯度传给有效区域$R(r,j)$内最大的$x_i$（局部导数为1）,其他的$x_i$（不在有效区域内，或者在有效区域内但不是最大值）为0（布局导数为0）。把所有的输出在这一层BP完，在累加就行。

2.4 尺度不变性

作者提出了两种方法进行尺度不变的目标检测：brute-force（单一尺度）和image pyramids（多尺度，图像金字塔）。作者采用了第一种方法。第二种效果要好，但是也没好多少，检测速度却降低很多。

3. Fast R-CNN detection

检测一张图片的时间主要是：提取候选框+前向传播+额外的一点时间。对于一个RoI r，模型输出后验概率分布p，表示$p_k = Pr(class = k | RoI)$，边框修正值r（K个类别都有）；测试时，一张图片会有大约R=2000个候选框输入，和对应的R=2000组后验概率、边框修正值。;对每个类别进行非极大值抑制，再去除低于设定阈值的候选框；修正留下的候选框，最终得到检测的结果。

来源：https://www.cnblogs.com/liuzhongrong/p/12249017.html

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