AI综述专栏 | 目标检测简明综述

 

本文是对目标检测领域的一个简洁明了的综述，意在使读者可以快速浏览并获取object detection领域的重要发展历程和最新进展。

一

Detection简介

目标检测的任务是找出图像中所有感兴趣的目标（物体），确定它们的位置和大小，是机器视觉领域的核心问题之一。由于各类物体有不同的外观，形状，姿态，加上成像时光照，遮挡等因素的干扰，目标检测一直是机器视觉领域最具有挑战性的问题。下面是一张图像的人脸检测结果。

二

面临的挑战

准确率：如何使定位更准

实时性：计算复杂度高，不适合试试计算，如何使速度更快。

三

检测方法

（一）two-stage 两步走的框架

先进行region proposal（selective proposal，region proposal network等，找出可能是目标区域的bbox），再进行目标分类，和bbox回归

1、传统算法

Viola和Jones于2001年提出的VJ框架，使用滑动窗口 + ( 计算Haar特征 + Adaboost )

Adaboost （adaptive boosting自适应提升算法，1995年提出）， OpenCV adaboost使用滑动窗口+图像金字塔生成region proposal

用多个分类器合作完成对候选框的分类，这些分类器组成一个流水线，对滑动窗口中的候选框图像进行判定，确定它是人脸还是非人脸。

adaboost强分类器：

Adaboost的原理是，多个分类器组合在一起分类loss的上限，是各个分类器误差之积的函数。

括号内的数值<1, 这样随着分类器的增加，loss的上限不断被压缩，到最后趋近于0

优点：而且弱分类器构造极其简单； 可以将不同的分类算法作为弱分类器,集成学习后作为1个强分类器。

缺点：训练时间长，执行效果依赖于弱分类器的选择（如果弱分类器每次误差都在0.5附近，类似于瞎猜，这时loss值很难下降，需要迭代很多次）

2、深度学习（CNN-Based）

VJ是2001年提出来的，此后业界也没有多少进展。2012年AlexNet在ImageNet举办的ILSVRC中大放异彩，此后人们就开始尝试将卷积引入cv的各种任务里面。我们看到Adaboost分类器的输入是haar特征，这个特征是按照明确的规则，显式提取出来的。

有了CNN后，我们可以将特征提取交给卷积神经网络完成。

14年uc berkerly的Girshick提出了rcnn算法，第一次将cnn引入detection领域，开启了检测领域1片新的天地。

（1）RCNN

网络结构如图所示，先用selective search进行region box的选择，选完后送入backbone，进行回归和分类。

首先介绍一下selective search的原理

用selective search找到proposal，即比较可能是物体的一个区域

我们首先将每个像素作为一组。然后，计算每一组的纹理，并将两个最接近的组结合起来。我们首先对较小的组进行分组。我们继续合并区域，直到所有区域都结合在一起。

下图第一行展示了如何使区域增长，第二行中的蓝色矩形代表合并过程中所有可能的 ROI。

具体过程如下：

a.用selective search找到proposal，即比较可能是物体的一个区域

b.特征提取

对每个候选区域，使用深度卷积网络提取特征 （CNN）,这里的基础网络backbone采用VGG，将输入图片传入VGG，经过卷积， 池化， 全连接提取特征，得到4096维特征。

c.学习bbox regression回归

利用卷积网络计算bbox位置修正信息，detection面临的一个问题是带标记的数据少，当时可用的公开数据集不足以训练大型CNN来计算bbox位置修正，paper中提出以VGG网络中参数为基础，用PASCAL VOC 2007数据集，在原网络基础上bbox regression训练

（以VGG现成的参数为基础训练regression，这种思想类似于迁移学习, PASCAL VOC 2007数据集，每张图片中，带有物体的类别和位置，如下图所示）

d.类别判断

利用多个svm分类器（object的种类+1），判别区域属于哪个特征，或者是background。

e.输出结果

Regression部分训练完毕后，输入由ss提出的区域，输出修正候选框位置。结合cls信息做NMS,最后输出detection结果。

RCNN是将cnn引入到目标检测领域的开山之作，预测精度相比VJ的haar+adaboost框架，map从40%提高到60%，但也存在不足。

RCNN网络的不足：

产生大量的region proposals ，它为每个bbox对应的区域进行卷积神经网络正向传递，计算量巨大。很难达到实时目标检测（1张图片的计算要50S）

（2）Fast-RCNN

针对rcnn存在的问题，Ross Girshick相应的提出了fast-rcnn网络。

R-CNN把一张图像分解成大量的bbox，每个bbox拉伸形成的图像都会单独通过CNN提取特征. 实际上这些bbox之间大量重叠，特征值之间完全可以共享，rcnn那种运算方式造成了计算的浪费.

Fast-RCNN，只送1张图片进卷积，运算量大大减少。

最后一层卷积层后加了一个ROI （region of interset）池化层。这个层可以将所有的bbox，映射到的feature maps的相应位置，并输出1个固定尺寸的特征图(论文中以7*7为例)

相比于RCNN,减少大量的计算。

RCNN网络中，cls和bbox regression分2步进行(SVM + cnn)

fast-rcnn将边框回归直接加入到CNN网络中，损失函数使用了多任务损失函数(multi-task loss)，和cls融合到一起训练。更简练。

（3）Faster-RCNN

Fast-rcnn相比于rcnn在bbox的生成上快了25倍，但是用selective search生成bbox还是很费时间

16年亚研院的任少卿与kaiming he联合Girshick提出来faster-rcnn结构（任少卿和kaiming he 5年还联合提出了resnet）

FASTER-RCNN引入1个小型网络rpn（region proposal network）

利用已经生成好的feature map，来产生更少，更精准的bbox

（rcnn 和fast-rcnn用selective search产生的Region Proposal有2000个，FASTER-RCNN产生的Region Proposal有300个）

下面我们来了解下RPN的工作原理

Backbone以vgg16为例，原始图resize成800*600，经过VGG，输出特征图50*38*256，每张图Feature map上1个点，对应的感受野为228 * 228，以这个感受野的中心为锚点，生成9个固定尺寸（128^2, 256^2,512^2）的bbox(例图只画了3个示意)

a.将feature map上的1个像素点的256channels信息，送入RPN的cls和bbox regression网络，计算cls和bbox位置修正。（此时，input是228 * 228的感受野，此感受野是9个anchor的共有区域，以此为输入，预测9个anchor代表区域的cls和bbox regression）

b.此时一张图上有50*38 = 1900个anchor，每个anchor有9个同心的bbox，初始产生17100个bbox，对图像提取(取cls score最大的300个)Region Proposal

anchor确定的9个区域的cls标签，由其与Ground Truth的IOU确定，Bbox标签，由Ground Truth确定。

以上面2个数据为基础，训练RPN

Resized image中的一个cell是228*228区域，过rpn网络后生成9个anchor的cls和回归结果。

但是我们观察网络，输入信息为原来图上228*228大小的区域，anchor的覆盖的区域包含感受野外的部分，那么一个有限的输入，如何对其外部的anchor做出cls和回归呢？

通过源码和论文，作者实现的过程如下图右面部分所示：

输入的256Dtensor对于原图中的228*228区域，在制作label的时候，计算好各个感受野对应的9个anchor，算好每个anchor对应的cls和回归值。

通过神经网络，让228*228去拟合9个anchor的cls和回归信息，以此实现对9个区域的预测。（做label告诉网络去预测什么）

通过训练过程强制拟合，深度学习可以逼近任意拟合函数（深度学习黑盒所在）

对这3种Region Proposal的方法，可以做下面一个小游戏来说明

1.滑动窗口 ，遍历图像进行查找。

2.过滤掉很多子区域，大大提升效率。

3.RPN算法（将图片一层层在自己的脑海中进行融合缩小，最后在一张浓缩的小图上快速定位了目标）

RCNN系列总结

RCNN：首次将CNN引入目标检测，准确率获得大幅提升。

Fast-RCNN：因为加入了ROI （region of interset）pooling layer，完成了各bbox到feature map的映射，输入整张图片进卷积，运算量大大减少。同时将cls和bbox regression join在一起训练。

Fastern-rcnn：就是将ss换成了rpn，运算复杂度降低。

单张pic的处理时间，可以看出运行时间得到明显提高。

一点感想：

1.数据集不够时，先进行数据增强，如果数据集还是太少，可以拿现成的，性能比较好的网络，以此为基础进行训练（类似于迁移学习的思想），会获得较好的score

2.Join训练，fast_cnn将cls和bbox回归join在一起训练，score提高，mtcnn将cls，bbox和alignmen join在一起，score提高，faster-rcnn之后，何凯铭又提出mask-rcnn，在Faster-RCNN 的基础上添加一个分支网络做segmentation，在实现目标检测的同时，把目标像素分割出来。这样loss在cls + bbox 基础上，又加了个分割的loss，性能进一步获得提升。

（二）one-stage

1、YOLO（CVPR2016）

单步法，将之前Selective search或RPN省略，直接在截图上进行cls和bbox regression

1.YOLO的backbone参考GoogleNet

测试图片resize之后，进入backbone，产生1个7*7*1024的feature map， 这个上面的一共有49个1*1*1024的tensor，每1个tensor对应resized image上面一个区域。将这个feature map过全连接，输出7*7*30的output，每个1*1*30的tensor，就对应resized image上面1个grid cell

1.这个1*1*30的tensor，表示生成的2个bbox信息，如图左上角比较细的蓝色框框，和青色框框

Offset指的是bbox中心点，相对于感受野尺寸左上角点的偏移值 / receptive field的比值，      width，height是bbox高宽 / 原始图片高宽的比值。

2.confidence代表了，当前grid cell含有object的可能性（0，或者1），有object的话，bbox与GT的IOU是多少，两重信息，由possibility * iou计算得来

比如说output第2行，青色的5维信息，对应左图中青色的bbox，其中心点相对于grid cell左上角的Offset是32， receptive field的size64，所以第一个参数是0.5

这里我们观察一下label的维度维25维，与yolo输出的shape不同，那么loss应该怎么计算？，怎样让网络去拟合label里面的数据？

实际采用的方法是，预测的2个bbox，只取IOU较大的那个计算。

1.这里可以看出来，对于bbox的预测，如果grid cell，里面有object，那么示性函数为1，计入此项的loss（如果2个bbox中心点都在有object的grid cell里面，则取IOU较大的那个bbox，计算loss），如果grid cell没有object，那么示性函数为1则bbox的loss就不用叠加到总的loss上了。（ij表示第i个grid cell里面的第j个bbox）

2,3项根据grid cell里面含不含object，只计算1个，在这里计算第5维confidence的损失。

4，计算分类的loss。算bbox的loss时，用了（x^(0.5) – x’(0.5)）^2，因为GT里面是10，预测结果是20，跟Gt是100，预测结果是110，虽然差值都是10，但是精准程度显然不一样。引入这种loss计算方法，前者的loss就比后者要大

直接输出的5维信息里面有bbox和confidence信息，但是confidence信息是对bbox所属区域，先计算有没有object的possibility，再计算IOU后得来的，我们看到图上同时输出了bbox和confidence的结果，这是如何做到的呢？

网络采用预训练模型，用ImageNet1000分类数据集Pretrain卷积层，训练完成后，将Pretrain卷积层，加4层conv，和2层fc，组成backbone，直接对输入图像做回归

，输出bbox和的cls计算结果（拟合label里面bbox，和label里面根据bbox计算的confidence）

特点：

a1. 因为没有复杂的检测流程，YOLO将目标检测重建为一个单一的回归问题，从图像像素直接到边界框坐标和分类概率，而且只预测49*2个bbox，运算速度超级快，YOLO在Titan X 的 GPU 上能达到45 FPS

a2. R-CNN看不到更大的上下文，在图像中会将背景块误检为目标。YOLO的feature map要会再过2个全连接层，这样最终的output能get到图像的整体信息，相比于region proposal等方法，有着更广阔的“视野”。YOLO的背景误检数量少了一半。

YOLO是直接预测的BBox位置，相比于预测物体的偏移量, 不太好收敛。虽然速度快，但是相对于faster-rcnn，检测精度较低。同时，由于每个grid cell只预测1个object，对于靠的近的物体的预测效果不好。。另外YOLO对小物体检测效果也不好，推测可能是因为Loss函数在设置中，offset误差是权重高，成为影响检测效果的主要原因，bbox的width和height的loss在总的loss中占比不大。

疑问：每个 1*1*30的维度对应原图7*7个cell中的一个，过完fc层之后，可以解决特征图上含有全局信息，但是过完全连接层，感受野就对不上了啊， 每个 1*1*30的维度对应原图7*7个cell中的一个

2、SSD（ Single Shot MultiBox Detector ）

Yolo对小物体的检测效果不好，我们发现，同样size的一个区域，把这个区域套到网络前部的feature map上，这个区域对应的感受野就比较小，正好用来检测小物体，而后部的feature map，这个区域对应的感受野比较大，用来检测大物体，由此思想提出了SSD算法

Single shot指明了SSD算法属于one-stage方法，MultiBox指明了SSD是多框预测，

他利用不同尺度的特征图来做检测

网络结构如下图所示，backbone为VGG16，第一张图是SSD的架构，第二张图是YOLO架构。

可以看到，SSD相比yolo，在back bone后面多了几个卷积层，多出来的几个卷积层，可以获得更多的特征图以用于检测

最后用了共提取了6个特征图，feature map的size是38*38， 19*19， 10*10， 5*5， 3*3， 1*1）

各个特征图的每一个cell，的感受野分别为30*30, 60*60, 111*111, 162*162, 213*213, 264*264

SSD将不同的特征图汇集在一起，来做检测任务

另一个改动是yolo一个cell上采用2个bbox，而SSD在每个cell上采用了不同尺度和长宽比的prior boxes（在Faster R-CNN中叫Anchors）

每1个prior bbox的面积，按照公式指定，各个feature map上对应的bbox的边长，线性增加，aspect ratio是（1， 2， 3， 0.5， 1/3，1’），最后1个1’是 以feature_map当前一个小格（cell）的感受野边长 * 与feature map上一个小格（cell）的感受野边长 ，开方后的数值为边长的bbox

以5*5的feature map为例，对feature map每个cell，生成6个bbox（第一层feature map和最后2层feature map生成4个bbox），计算回归和cls。

1个1*1*256的tensor，经过检测模块后最后输出这个cell对应原图上，6个prior box的回归和cls结果。

预测的时候跟faster-rcnn的region proposal network一样，也没有将bbox做输入进行cls，而是直接拿feature map的点进行计算。

训练：label的制作.

我们的网络，是想拟合什么样的数据？

数据集中给与的GT，如何转换为训练中可用的label，使之与每个prior box对应的predict结果相对应？

prior bbox的label的值（x, y, width, height），x，y是GT的中心点，相对于prior bbox的偏移/prior bbox的width，height。width, height指GT宽、高与prior bbox宽高之比的log值。

众多prior bbox，并不是每个bbox都做回归，做label时，将与GT的IOU高于threshold的bbox做如右图所示的标签，低于threshold的区域就不算了.

SSD是Faster-rcnn与Yolo的结合，其中Prior bbox提取的过程跟Anchor的设计理念极其相似。

那么为什么Faster-rcnn是two-stage，而SSD是one-stage？

因为faster-rcnn中rpn需要另行训练，而在SSD中直接预测bounding box的坐标和类别的object detection，没有生成proposal的过程， one-stage中完成。

四

最新进展

低层次的包含更多纹理的特征，高层次的包含更多上下文的特征，低层级特征被用于检测尺寸较小的人脸，高层级特征被用于检测尺寸较大的人脸。

FPN（特征金字塔网络）只聚合高级和低级输出层之间的层次结构要素图， 其实上两者之间有关联

前部feature map对应的感受野如上图所示，图分辨不出是人脸还是其他物体，但是随着feature map感受野的逐步扩大，后面的图像可以看到这个区域是人脸。将不同尺度的feature map联合在一起进行训练，会检测出第一张人脸出来。

（1）PyramidBox

百度18年3月份在WIDER Face数据集上取得第一名

利用Low-level Feature Pyramid Layers将feature map整合，解决小图像，姿势，角度等检测难题。

（2）Dual Shot Face Detector

腾讯优图(CVPR2019)，将当前feature map与高层feature map做了特征融合。

下面的feature enhance module其实是将本层feature map和上一层的frature map做了1个特征融合

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