Faster-RCNN是2015年提出的第一个真正意义上的端到端的深度学习检测算法,其最大的创新之处就在于通过添加RPN网络,基于Anchor机制来生成候选框(代替selective search),最终将特征提取、候选框选取、边框回归和分类都整合到一个网络中,从而有效的提高检测精度和检测效率。
Faster-RCNN的具体的流程就是将输入图像缩放以后进入到卷积层提取特征得到feature map(特征图),然后特征图送入RPN网络生成一系列可能的候选框,接下来将原始的特征图和RPN输出的所有候选框输入到Roi Pooling层,提取收集proposal,并计算出固定大小7×7的proposal feature maps,送入全连接层进行目标分类与坐标回归。
Faster R-CNN的结构可分为四个部分:
这部分和普通的CNN网络中特征提取结构相同,可使用VGG、ResNet、Inception等各种常见的结构(只使用全连接层之前的部分)对输入图片提取特征,最后输出feature map。
无论是SSP net 还是 Fast R-CNN网络结构,区域候选环节都采用了Selective search算法,以现在的眼光去比喻类似于造好了一辆汽车(CNN)但是在用马(selective search)拉着跑,因为selective search的计算太慢了,想让物体检测达到实时,就得改造候选框提取的方法。
Faster CNN要做的改进就是统一区域候选提取、分类和边界框回归,实现检测算法的End-to-End。RPN在Faster RCNN这个结构中专门用来提取候选框,相比于Selective Search算法RPN耗时少,并且便于结合到Fast RCNN中成为一个整体。
RPN的引入真正意义上把物体检测整个流程融入到一个神经网络中, Faster RCNN = RPN + Fast RCNN 。
RPN网络是一个全卷积网络,它的核心思想就是使用”滑动窗口+anchor机制”来生成候选框。具体方法是在前面卷积层卷积得到的4060的特征图上,利用滑动窗口的方式,也就是3×3的卷积核在每个滑动窗口中心点构造9个不同长宽比不同尺度的候选框(4060*9≈2万个),并将其以16的映射比例映射到rescale图像中框出来,舍弃超出边界的预proposal,再根据每个区域的softmax score进行从大到小排序,提取前2000个预proposal,对这个2000个进行非极大值抑制,最后将得到的再次进行排序,输出300个proposal给Faster RCNN进行预测,此时Faster RCNN的预测类别不包括背景,因为RPN输出默认为前景。
RPN是一个卷积层(256维)+ relu激活函数 + 左右两个层的(clc layer 和 reg layer)的小网络。RPN在feature map上用3×3的滑动窗口进行卷积,卷积步长stride=1,填充padding=2得到可以被9个anchor区域共享的256d特征。生成anchor区域具体操作是在对特征图卷积的同时,以每个卷积核的中心点为anchors的中心,为每个特征点生成长宽比为[1:1,1:2,2:1]的共9个矩形,输入RPN分类器RPN回归器。如下图所示:
也就是只要一次前向操作就同时预测k个区域的前景、背景概率(1个区域2个scores,所以得到2k个scores)以及bounding box(1个区域4个coordinates,所以是4k个coordinates),最终每一个bbox都有一个6维的向量,前2维用来判断该框内是否有物体,后面4个维度用来判断该bbox里物体的坐标。另外,在训练RPN筛选候选框时,设定跟任意ground truth(GT) IOU的阈值为0.7,大于0.7的anchor标记为前景(正标签),小于0.3的标定为背景(负样本),然后在分类层,损失函数用softmax loss,RPN只对有标签的区域计算loss,非正非负的区域不算损失,对训练没有作用。
而且,在训练的过程中,FasterRCNN采用交替训练的方式,用初始化的权值训练RPN,再用RPN提取的候选区域训练卷积网络,更新权值。
Roi Pooling在介绍Fast R-CNN的博客中做过比较具体的介绍,它在此处的具体作用主要有两个:
为什么要pooling成固定长度的输出呢?RPN网络提取出的proposal大小是会变化的,而分类用的全连接层输入必须固定长度,所以需要一个从可变尺寸变换成固定尺寸输入的过程。在较早的R-CNN结构中都通过对proposal进行缩放或剪裁到固定尺寸来实现,缩放和剪裁的副作用就是原始的输入发生变形或信息量丢失,以致分类不准确,而ROI Pooling就完全规避掉了这个问题,proposal能完整的池化成全连接的输入,而且没有变形,长度也固定。
Roi Pooling的具体操作为:
Faster R-CNN Faster的训练方法主要分为拆分训练和端到端训练。
先训练RPN,从所有anchor box中随机挑选256个,保持正样本负样本比例1:1(正样本不够时用负样本补);再从RPN的输出中,降序排列所有anchor box的前景置信度,挑选top-N个候选框叫做proposal, 做分类训练。
整个网络的具体训练过程有四步: