基于候选区的卷积神经网络（R-CNN）-工具盒子

提到目标检测，我们几乎都是从 R-CNN 开始，这篇文章就对 R-CNN 做一个简单的了解。要内容来自 Paper 《Rich feature hierarchies for accurate object detection and semantic segmentation》

后面也会对 Fast R-CNN、Faster R-CNN 等经典的 Two-Stage 目标检测算法进行介绍。

RCNN Paper 链接: https://arxiv.org/pdf/1311.2524.pdf

基本流程 {#title-0} ==================

进行目标检测时，我们输入的是什么？以及我们要得到什么？

最简单的场景，当我们输入一张图片，该图像上可能存在一个、或者多个我们感兴趣的物体，目标检测则是希望能够将感兴趣的物体选中，并且要能够知道被选中的物体是什么类别。即：我们输入一张图片，得到用于框选表示物体的框以及框内物体的类别。

RCNN 实现目标检测的流程如下，图片来自 Paper 的作者：

从上图看来，主要分为四个步骤：

输入需要进行目标检测的图像；
从原图像上生成可能存在我们感兴趣目标的矩形区域，这个区域我们叫做候选区域，这部分工作也是由相关的算法来完成；
例如：我们从原图上提取了 2000 个小区域，并对这 2000 个小区域使用 CNN 网络提取图像特征；
接下来，使用提取到的特征、以及候选框来训练分类器和回归器。分类器用来识别候选区的目标的类别，回归器用来修正边框的位置。

接下来，介绍下每一部分大概做了哪些事情。

候选框生成器 {#title-1} ====================

在提取可能存在我们感兴趣目标的候选区域时，我们得知道，我们也不清楚目标在图片的那个位置，以及目标的宽高是多少，想能够更加精确的找到候选区域还是难度不小的。我们会通过一定的策略，在原图上尽可能产生可能包含目标的候选区域，那该区域是否真的包含目标，以及包含的目标是什么类别，这个得通过后续的网络来识别。

生成候选区域的方法有很多，作者选择使用的是 Selective Search 算法来实现类别独立的候选区域的构建，该算法的基本过程如下：

先将原图分割成一个个的小区域，这些区域不重复，把这些区域放到集合 R 中；
然后找到 R 中所有相邻小区域，并根据其颜色、纹理、大小、形状等计算其相似度，并存储到 S 集合中，S 集合中的每个元素是相似度和对应的两个子区域；
接下来，从 S 中取出相似度值最大的两个子区域，并把它合并成一个大区域，并从 S 中删除与这两个小区域，以及和这两个区域的相似度；
接着，构建一个 \(S_t\)，这里面包括了新的大区域与其邻居的相似度；
将这个 \(S_t\) 添加到 S 中，并将这个大区域添加到 R 中；
S 为空则循环停止，否则重复 3-5 步骤。
特征提取器 {#title-2} ===================

RCNN 使用 Selective Search 算法得到 1k~2k 候选区域 size 是不固定的，而 CNN 网络对输入的 size 是有要求的，所以需要先将这些候选框 resize 到符合 CNN 网络的输入。

我们可以用 AlexNet、也可以用 VGGNet 等等作为主干网络，这部分的网络主要作用就是提取每一个候选框的特征向量表示。RCNN 作者使用 AlexNet 作为主干网络提取 4096 维的特征向量。

特征提取器在训练的时候，可以使用在大数据集上已经训练好的预训练模型，再在自己数据集上进行微调。一般会使用在 ImageNet 上预训练好的模型基础上做微调，以便能够获得更好的特征向量表示。

在微调的时候，我们需要需要输入正负样本。我们可以把候选框和 Ground Truth 的 IOU 交並比大于 0.5 的候选框作为正样本，其他作为负样本。我们知道训练的样本类别不平衡的话，会影响到模型的效果，所以需要对这些样本进行采样。

分类器 {#title-3} =================

在 RCNN 网络中，使用 SVM（支持向量机）来对每个候选框进行分类。这里需要注意的是，我们需要为每个类别都训练一个 SVM 分类器，我们共有 n + 1 个类别。SVM 的输入就是每个每个候选区域的特征向量，输出是其对应的目标类别。这里注意点：如果目标种类有 10 类，则 SVM 需要对应 10+1 类来进行训练，这是因为有些候选区域可能并不属于任何一个目标，我们要将这类的图像预测为背景图像。

SVM 训练时的正负样本也是很有考究。作者正样本使用 Ground Truth 真实边框作为正样本，IOU 小于一定阈值的边框作为负样本。

回归器 {#title-4} =================

对候选框进行分类之后，可能一个目标会有多个候选框，我们不需要这么多，此时使用 NMS（非极大值抑制）算法去除冗余的候选框。

候选框是前面 Selective Search 算法生成的，很多情况下是不精准的，所以训练一个边框回归模型来对候选边框进行修正，注意：这里是为每一个类别都训练一个边框回归模型。

边框回归器首先需要训练 4 个回归器，分别对变量的中心点x坐标、中心点y坐标、边框宽度、边框高度的偏差进行预测，这 4 个回归器对应表示为：\(d_{x}(P)、d_{y}(P)、d_{w}(P)、d_{h}(P) \)，这里的 P 表示候选框的特征向量表示，使用回归器的预测结果经过下面公式得到最终的输出边框：

上述同时中，\(P_{x}、P_{y}、P_{w}、P_{h}\) 表示待修正的候选边框的中心坐标以及宽高。从公式可以看到：

\( d_{x}(P)、d_{y}(P) [latex] 更像是基于 [latex]P_{w}、P_{h}\) 的调整系数，将得到的偏差加到 \(P_{x}、P_{y}\) 上，进行中心点平移，实现修正；
边框回归器输出的 \( d_{w}(P)、d_{h}(P) \) 经过 exp 计算得到一个缩放值，对原始边框的缩放。

是否就可以理解为，边框回归器的输出结果是用于平移中心点坐标，缩放宽高的系数或者参数。

既然要进行如此的输出，如何计算损失？由于我们输出的是调整参数，所以拟合的目标也应该是调整参数。我们就看看 Ground Truth 在候选边框的基础上需要如何调整才能得到，如下公式所示：