机器视觉目标检测补习贴之R-CNN系列 --- R-CNN, Fast R-CNN, Faster R-CNN

CVPR 2017在即，David 9最近补习了目标检测的趋势研究。深度学习无疑在近年来使机器视觉和目标检测上了一个新台阶。初识目标检测领域，当然先要了解下面这些框架：

RCNN
Fast RCNN
Faster RCNN
Yolo
SSD

附一张发表RCNN并开启目标检测深度学习浪潮的Ross B. Girshick（rbg）男神：

无论如何，目标检测属于应用范畴，有些机器学习基础上手还是很快的，所以让我们马上来补习一下！

首先什么是目标检测？目标检测对人类是如此简单：

把存在的目标从图片中找出来，就是那么简单！

在计算机中，传统目标检测方法大致分为如下三步：

如上图所示，首先在给定的图像上选择一些候选的区域，然后对这些区域提取特征，最后使用训练的分类器进行分类。下面我们对这三个阶段分别进行介绍。

(1) 区域选择

这一步是为了对目标的位置进行定位。由于目标可能出现在图像的任何位置，而且目标的大小、长宽比例也不确定，所以最初采用滑动窗口的策略对整幅图像进行遍历，而且需要设置不同的尺度，不同的长宽比。这种穷举的策略虽然包含了目标所有可能出现的位置，但是缺点也是显而易见的：时间复杂度太高，产生冗余窗口太多，这也严重影响后续特征提取和分类的速度和性能。（实际上由于受到时间复杂度的问题，滑动窗口的长宽比一般都是固定的设置几个，所以对于长宽比浮动较大的多类别目标检测，即便是滑动窗口遍历也不能得到很好的区域）

(2) 特征提取

由于目标的形态多样性，光照变化多样性，背景多样性等因素使得设计一个鲁棒的特征并不是那么容易。然而提取特征的好坏直接影响到分类的准确性。（这个阶段常用的特征有SIFT、HOG等）

(3) 分类器

主要有SVM, Adaboost等。

总结：传统目标检测存在的两个主要问题：一个是基于滑动窗口的区域选择策略没有针对性，时间复杂度高，窗口冗余；二是手工设计的特征对于多样性的变化并没有很好的鲁棒性。

深度学习特别是CNN的出现使得上述第2，3步可以合并在一起做：

R-CNN (CVPR2014, TPAMI2015)

上图就是有名的R-CNN (Region-based Convolution Networks for Accurate Object detection and Segmentation)。

训练流程：

(1) 输入测试图像

(2) 利用selective search算法在图像中提取2000个左右的region proposal（候选区）。

(3) 将每个region proposal缩放（warp）成227×227的大小并输入到CNN，将CNN的fc7层的输出作为特征。

(4) 将每个region proposal提取到的CNN特征输入到SVM进行分类。

针对上面的框架给出几点解释：

* 上面的框架图是测试的流程图，要进行测试我们首先要训练好提取特征的CNN模型，以及用于分类的SVM：使用在ImageNet上预训练的模型（AlexNet/VGG16）进行微调得到用于特征提取的CNN模型，然后利用CNN模型对训练集提特征训练SVM。

* 对每个region proposal缩放到同一尺度是因为CNN全连接层输入需要保证维度固定。

* 上图少画了一个过程——对于SVM分好类的region proposal做边框回归（bounding-box regression)，边框回归是对region proposal进行纠正的线性回归算法，为了让region proposal提取到的窗口跟目标真实窗口更吻合。因为region proposal提取到的窗口不可能跟人手工标记那么准，如果region proposal跟目标位置偏移较大，即便是分类正确了，但是由于IoU(region proposal与Ground Truth的窗口的交集比并集的比值)低于0.5，那么相当于目标还是没有检测到。

小结：R-CNN在PASCAL VOC2007上的检测结果从DPM HSC的34.3%直接提升到了66%(mAP)。如此大的提升使我们看到了region proposal+CNN的巨大优势。

但是R-CNN框架也存在着很多问题:

(1) 训练分为多个阶段，步骤繁琐: 微调网络+训练SVM+训练边框回归器

(2) 训练耗时，占用磁盘空间大：5000张图像产生几百G的特征文件

(3) 速度慢: 使用GPU, VGG16模型处理一张图像需要47s。

Fast R-CNN(ICCV2015)