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1、,基于R-CNN的系列目标检测算法,组员：,R-CNN, SPP NET, Fast R-CNN, Faster R-CNN,目 录,CONTENTS,01,背景知识,02,RCNN,SPP NET,Fast R-CNN,Faster R-CNN,03,05,04,实例展示,06,01,背景知识,PART ONE,背景知识,目标检测是在给定的图片中精确找到物体所在位置，并标注出物体的类别。物体的尺寸变化范围很大，摆放物体的角度，姿态不定，而且可以出现在图片的任何地方，并且物体还可以是多个类别。,目标检测,背景知识,图像识别（classification）：输入：图片输出：物体的类别评估方法：准
2、确率。,定位（localization）：输入：图片输出：方框在图片中的位置（x, y, w, h）评估方法：检测评价函数 intersection-over-union,背景知识,目标检测算法,1.传统的目标检测算法：Cascade + HOG/DPM + Haar/SVM以及上述方法的诸多改进、优化；,2. 候选区域/窗 + 深度学习分类：通过提取候选区域，并对相应区域进行以深度学习方法为主的分类的方案，如：R-CNN（Selective Search + CNN + SVM）SPP-net（ROI Pooling）Fast R-CNN（Selective Search + CNN + R
3、OI）Faster R-CNN（RPN + CNN + ROI）R-FCN等系列方法；,3. 基于深度学习的回归方法：YOLO/SSD/DenseBox 等方法；以及最近出现的结合RNN算法的RRC detection；结合DPM的Deformable CNN等。,02,R-CNN,PART TWO,R-CNN,传统目标检测方法,传统目标检测的算法基本流程如下：使用不同尺度的滑动窗口选定图像的某一区域为候选区域；从对应的候选区域提取如Harr HOG LBP LTP等一类或者多类特征；使用Adaboost、SVM 等分类算法对对应的候选区域进行分类，判断是否属于待检测的目标。,1、基于滑动窗口
4、的区域选择策略没有针对性，时间复杂度高，窗口冗余；2、手工设计的特征对于多样性的变化没有很好的鲁棒性。,传统目标检测方法的缺点,R-CNN,R-CNN是Region-based Convolutional Neural Networks的缩写，中文翻译是基于区域的卷积神经网络，是一种结合区域提名（Region Proposal）和卷积神经网络（CNN）的目标检测方法。区域提名（Region Proposal）：利用图像中的纹理、边缘、颜色等信息，预先找出图中目标可能出现的位置。需要解决的问题：（1）适应不同尺度 （2）多类别图像的适应性 （3）速度。R-CNN的主要贡献：1）传统目标检测算法一
5、般使用滑动窗口扫描所有可能区间，同时需要考虑变化窗口尺寸以适应不同大小的目标，这种方法效率太低。R-CNN使用Selective Search方法预先提取所有候选区域；2）传统目标检测算法依赖人工设计的特征，R-CNN使用深度学习自动提取和学习特征。,R-CNN,R-CNN的简要步骤如下：(1) 输入测试图像；(2) 利用选择性搜索（ Selective Search ）算法在图像中从下到上提取2000个左右的可能包含物体的候选区域；(3) 因为取出的区域大小各自不同，所以需要将每个候选区域缩放（warp）成统一的227x227的大小并输入到CNN，将CNN的fc7层的输出作为特征；(4) 将
6、每个候选区域提取到的CNN特征输入到SVM进行分类。,R-CNN的总体思路,R-CNN,Selective Search算法,使用 Efficient Graph-Based Image Segmentation的方法获取原始分割区域R= r 1 ， r 2 ， r n 。区域内间距区域为对应最小生成树中权重最大的边的权重值。区域间间距即在所有分别属于两个区域且有边连接的点对中，寻找权重最小的那对（若两个区域内的点没有边相连，则定义间距为正无穷大）。2. 初始化相似度集合=。3. 计算两两相邻区域之间的相似度将其添加到相似度集合中。 r i , r j = 1 r i , r j + 2 r
7、i , r j + 3 r i , r j + 4 r i , r j 4. 从相似度集合中找出，相似度最大的两个区域 r i 和 r j ，将其合并成为一个区域 r ，从相似度集合中除去原先与 r i 和 r j 相邻区域之间计算的相似度，计算 r 与其相邻区域（原先与 r i 或 r j 相邻的区域）的相似度，将其结果添加的到相似度集合S中。同时将新区域 r 添加到区域集合R中。5. 获取每个区域的Bounding Boxes，这个结果就是物体位置的可能结果L。,R-CNN,RCNN的具体步骤,步骤一：训练（或者下载）一个分类模型（比如AlexNet）,R-CNN,步骤二：对该模型做fin
8、e-tuning将分类数从1000改为20，比如20个物体类别 + 1个背景去掉最后一个全连接层,R-CNN,步骤三：特征提取提取图像的所有候选框（选择性搜索Selective Search）；对于每一个区域：修正区域大小以适合CNN的输入，做一次前向运算，将第五个池化层的输出（就是对候选框提取到的特征）存到硬盘。,R-CNN,步骤四：训练一个SVM分类器（二分类）来判断这个候选框里物体的类别每个类别对应一个SVM，判断是不是属于这个类别，是就是positive，反之nagative。比如下图，就是对狗分类的SVM,R-CNN,步骤五：使用回归器精细修正候选框位置：对于每一个类，训练一个线性回
9、归模型去判定这个框是否框得完美,R-CNN,1、基于R-CNN目标检测算法只能输入固定尺寸的图片，样本输入受限2、经人工处理过的图片，易降低网络识别检测精度3、R-CNN需对各候选区域进行一次卷积操作，计算量大，耗时长,R-CNN存在的问题,人工图片处理样例,03,SPP NET,PART THREE,SPP NET,在R-CNN的第一步中，对原始图片通过Selective Search提取的候选框多达2000个左右，而这2000个候选框每个框都需要进行CNN提特征+SVM分类，计算量很大，导致R-CNN检测速度很慢，一张图都需要47s。而且，基于R-CNN目标检测算法只能输入固定尺寸的图片，
10、样本输入受限，使用很不方便。那么如何改进呢？SPP-NET的出现恰好解决了这些问题。,SPP-Net（Spatial Pyramid Pooling）是何凯明2014年提出的方法，通过解决传统CNN无法处理不同尺寸输入的问题对同年的R-CNN算法做改进，实验结果表明SPP方法比R-CNN快了近100倍从算法架构上，SPP-Net与R-CNN相似：通过Selective Search获取候选区域，最后也是使用SVM做分类。但不再将每个候选区域过一次CNN，而是将原始图过一次CNN，在CNN的全连接层前添加新提出的SPP层，根据候选区域位置crop的图像卷积结果通过SPP层来确保输入全连接层的尺寸
11、满足要求。最后在全连接层的输出一次性获得所有候选区域的特征向量。,SPP NET,SPP NET的原理,可允许不同尺寸图片输入，将R-CNN最后一个卷积层后的池化层替换为SPP层，生成长度固定的特征，并输入到最后的全连接层中。特点：1、可实现CNN多尺度图像的输入；2、只对原图进行一次卷积特征提取。,SPP Net结构,SPP Net vs R-CNN,SPP NET,SPP NET的具体步骤,步骤一：选择性搜索对待检测图片，选择性搜索出2000个候选框,候选区域提取,SPP NET,步骤二：特征提取将整张待检测图片输入CNN中，进行一次特征提取，得到feature maps。在各featur
12、e map中找到各候选框区域。,SPP Net特征提取,SPP NET,步骤三：空间金字塔池化对各候选框区域进行空间金字塔池化，提取出固定长度的特征向量。,空间金字塔池化,SPP NET,步骤四：训练SVM分类器利用SVM算法，对各候选区域对应的特征向量进行分类识别。,SVM分类识别,SPP NET,SPP NET存在的问题,经SPP NET改进后的R-CNN虽能有效提高检测速度，但仍存在局限性：在SPP NET采用selective search对原始图片进行候选区域提取时，由于候选区域数量较多，存在候选区域特征重复提取计算问题，限制了SPP NET的检测速度。另外，对SPP NET，虽然R
13、OI特征在最后一个卷积层才提取，省去了多次前向CNN。但由于SVM，ROI特征仍需存储。此外，SPP NET中的tunning无法更新SPP层之前的所有权重，因此对于比较深的网络无能为力。,04,Fast R-CNN,PART FOUR,Fast R-CNN,R-CNN和SPP NET的不足：1） R-CNN和SPP NET的训练都需要经过多个阶段：fine-tuning得到网络卷积层的特征输出、SVM对每组特征向量的学习、位置bounding box的回归2）对R-CNN ，训练和测试的时间空间开销大。每个图像提取的大量ROI特征需要存储和通过CNN3）对SPP NET ，虽然ROI特征在最
14、后一个卷积层才提取，省去了多次前向CNN。但由于SVM，ROI特征仍需存储。此外， SPP NET中的tunning无法更新SPP层之前的所有权重，因此对于比较深得网络无能为力,Fast R-CNN是Ross Girshick在2015年对上一年的SPP Net算法做的改进。作者在VGG16网络的测试表明： Fast R-CNN在训练阶段比R-CNN快了9倍，比SPP NET快了3倍；在测试阶段比R-CNN快了213倍，比SPP NET快了10倍；同时精度也有一定提升。,Fast R-CNN,Fast R-CNN算法思想,Fast R-CNN算法首先通过selective search方法生成
15、约2K个ROI，连同图像一起输入到CNN网络；在最后一个卷积层后求取ROI位置的映射关系，使用1层的SPP池化层将每个ROI统一到相同大小；最后通过两个全连接层，一个FC层后接softmax实现分类，一个FC层后接bounding box回归得到类别修正后的位置。,Fast R-CNN,（1）ROI pooling layer实际上是SPP-NET的一个精简版，SPP-NET对每个proposal使用了不同大小的金字塔映射，而ROI pooling layer只需要下采样到一个7x7的特征图。对于VGG16网络conv5_3有512个特征图，这样所有region proposal对应了一个7*
16、7*512维度的特征向量作为全连接层的输入。换言之，这个网络层可以把不同大小的输入映射到一个固定尺度的特征向量。（2）边框回归对于窗口一般使用四维向量(x,y,w,h)，分别表示窗口的中心点坐标和宽高。红色的框 P 代表原始的Proposal, 绿色的框 G 代表目标的Ground Truth， 我们的目标是寻找一种关系使得输入原始的窗口 P 经过映射得到一个跟真实窗口 G 更接近的回归窗口G。所以，边框回归的目的即是：给定(Px,Py,Pw,Ph)寻找一种映射f，使得 f(Px,Py,Pw,Ph)=(Gx,Gy,Gw,Gh)并且(Gx,Gy,Gw,Gh)(Gx,Gy,Gw,Gh),Fast
17、R-CNN,与R-CNN框架图对比，可以发现主要有两处不同：一是最后一个卷积层后加了一个ROI pooling layer；二是损失函数使用了多任务损失函数，将边框回归Bounding Box Regression 直接加入到CNN网络中训练。,Fast R-CNN vs R-CNN,Fast R-CNN,R-CNN：许多候选框 - CNN - 得到每个候选框的特征 - 分类+回归Fast R-CNN：一张图片 - CNN - 得到每张候选框的特征 - 分类+回归所以，Fast R-CNN相对于R-CNN的提速原因就在于：不像R-CNN把每个候选区域给深度网络提特征，而是整张图提一次特征，再把
18、候选框映射到第五个卷积层上，而Fast R-CNN只需要计算一次特征，剩下的只需要在第五个卷积层上操作就可以了。,然而，Fast R-CNN在进行选择性搜索时，需要找出所有的候选框，这个过程也非常耗时。,05,Faster R-CNN,PART FIVE,Faster R-CNN,由于Fast R-CNN在进行选择性搜索时，需要找出所有的候选框，这大大限制了其检测的速度。Faster R-CNN是Ross Girshick对Fast R-CNN算法的改进。简单网络（ZF）目标检测速度达到17fps，在PASCAL VOC上准确率为59.9%；复杂网络（VGG-16）达到5fps，准确率78.8
19、%。,Faster R-CNN算法思想,从R-CNN到Fast R-CNN ，再到Faster R-CNN ，目标检测的四个基本步骤（候选区域生成，特征提取，分类，位置精修）终于被统一到一个深度网络框架之内。所有计算没有重复，完全在GPU中完成，大大提高了运行速度。Faster R-CNN可以简单地看做“区域生成网络RPN+ Fast RCNN“的系统，用RPN代替fast RCNN中的Selective Search方法。,Faster R-CNN,RPN,为了提高候选区域的寻找速度，加入一个提取边缘的神经网络，也就是说，寻找候选框的任务也交给神经网络来完成。在Faster R-CNN中引入
20、Region Proposal Network(RPN)替代Selective Search，同时引入anchor box应对目标形状的变化问题（anchor就是位置和大小固定的box，可以理解成事先设置好的固定的proposal）。具体做法： 将RPN放在提取整幅图片特征的CNN后面，RPN直接训练得到候选区域。 1.在feature map上滑动窗口。 2.建一个神经网络用于物体分类+框位置的回归。 3.滑动窗口的位置提供了物体的大体位置信息。4.框的回归提供了框更精确的位置。,Faster R-CNN,R-CNN VS Fast R-CNN VS Faster R-CNN,RCNN:Se
21、lective Search - 每个候选框CNN特征提取 - SVM分类 - 边框回归Fast R-CNN:Selective Search - 整张图片输入CNN，得到feature map - 每个候选框在feature map上的映射patch作为卷积特征输入到SPP layer和之后的层 - softmax分类 + 边框回归Faster R-CNN:整张图片输入CNN，得到feature map - 输入到RPN，得到候选框 - 对候选框中提取出的特征，使用分类器判别是否属于一个特定类 - 分类 + 边框回归,06,实验展示,PART SIX,实验展示,采用MIT pedestrian detection database基于VGG16的Faster RCNN实验结果,由测试结果可以看到，Faster RCNN 对目标具有较好的检测效果，且对于人群间的重叠，仍能较好的进行检测。,Faster RCNN行人检测结果,
