目标检测网络Faster RCNN详解(一)

　　在RCNN，Fast RCNN之后，Ross B. Girshick在2016年提出Faster RCNN，将特征提取(feature extraction)，proposal提取，目标定位location，目标分类classification整合到了一个网络中，性能大幅提升。作为Two-stage的代表，相比于yolo，ssd等one-stage检测方法，Faster RCNN的检测精度更高，速度相对较慢。

　　为了加深对Faster RCNN的理解，还是从网络结构，正负样本分配，loss函数三个方面来记录下自己的学习过程。原版Faster RCNN的backbone为VGG16， 而实际工作中，我主要使用Resnet50为backbone的Faster RCNN，这里以Resnet50_Faster_RCNN为例进行说明

1. Resnet50_Faster_RCNN 网络结构

　　下面两张图中，第一张是Resnet50_Faster_RCNN的网络结构流程图，第二张是详细展开后的网络卷积模块。可以发现其网络结构中主要包括Resnet50 Conv layers，RPN(Region Proposal Network), ROIPooling/ROIAlign, class/box Predictors四个模块:

1.Resnet50 Conv layers: 包括了Head, Layer1, Layer2, Layer3, Layer4，主要负责特征提取；(Head, Layer1, Layer2, Layer3为最开始的特征提取，layer4是在确定正负样本后第二次的特征提取)
2.RPN：主要负责proposal的提取，给出每个proposal的属于正负样本的分数，并修正其位置；
3.ROIPooling/ROIAlign：根据RPN给出的Proposal，从Feature map中得到每个proposal对应的局部feature，并进行汇总后输入下一层网络
4.class/box Predictors: 预测proposal所属类别(class), 以及其位置偏移量(box regression)，从而修正box

 图1 resnet50_faster_rcnn流程结构图

 

 

 图2 resnet50_faster_rcnn网络结构图

 　　网络结构中比较难理解的主要是RPN和ROIPooling/ROIAlign两部分，需要详细了解下。

RPN网络流程

　　1. 上述图中Layer3得到的feature为B*1024*36*63，送入RPN网络首先卷积得到B*1024*36*63，然后score分支预测proposal的概率，尺寸为B*15*36*63(每个位置有15个anchor)，loc预测proposal的偏移量，尺寸为B*60*36*63；

　　2. 根据B*15*36*63的分数置信度，B*60*36*63的位置偏移量，利用已经设置好的34020(36*63*15)个anchor和匹配规则，选择128个proposal(32个正样本，96个负样本)

 ROIPooling/ROIAlign流程

　　(ROIPooling和ROIAlign详细解释参见：https://zhuanlan.zhihu.com/p/73138740)

　　1.上述图中Layer3得到的feature为B*1024*36*63，RPN网络得到proposal为B*128*4，对于每一个proposal根据其坐标位置，在feature中找到其对应的局部特征sub_feature(例如1024*20*30)，对这个局部特征进行AvgPooling得到1024*14*14。共有B*128个proposal，因此所有proposal处理完成得到尺寸为[B*128, 1024, 14, 14]

2. 正负样本分配

　　faster_rcnn网络结构中有两次正负样本分配，一是从设置好的anchor中挑选样本给RPN网络学习，从而使RPN网络预测出精准的proposal；二是从RPN预测出的proposal挑选样本给RCNN网络(layer4+predictor部分)学习，使RCNN网络预测proposal的类别，并修正其坐标位置

2.1 faster_rcnn网络anchor设置

　　faster_rcnn论文采用9个anchor(三个尺寸，三个比例)，这里采用了15个anchor(5个尺寸，三个比例)，增加对小目标的检测。以网络layer3输出feature为基础，其anchor设置的示意图如下：

 　　产生anchor的简单示例代码如下：

import numpy as np

strides=16
# scales=(8, 16, 32)
scales=(2,4,8,16,32)
ratios=(0.5, 1, 2)
alloc_size=(36, 63)

scales = [i*strides for i in scales]
print(scales)
center_point = ((strides-1)/2, (strides-1)/2)
anchors = []
for scale in scales:
    for ratio in ratios:
        area = scale*scale
        ws = np.round(np.sqrt(area/ratio))
        hs = np.round(np.sqrt(area*ratio))
        anchor = [center_point[0]-(ws-1)/2, center_point[1]-(hs-1)/2,
                  center_point[0]+(ws-1)/2, center_point[1]+(hs-1)/2]
        anchors.append(anchor)

print(np.array(anchors))

2.2 RPN网络正负样本分配

　　RPN网络的目的是给出精确的proposal，其学习样本来自于设置的anchor。如上一步共设置了34020个anchor，根据这些anchor和gt_box的IOU，挑选出256个anchor作为样本给RPN网络学习，anchor挑选流程如下：

1. 去掉anchor中坐标超出图片边界的(图片为562*1000)
2. 计算所有anchor和gt_box的IOU，和gt_box具有最大IOU的anchor为正样本(无论是否满足IOU>0.7)，剩余的anchor, IOU>0.7的为正样本，0<IOU<0.3的为负样本
3. 挑选出256个样本，正负样本各128个。（若正样本不够128个时，有多少取多少，若正本超过128个，随机选取128个正样本，多余的标注未忽略样本；负样本一般会多余128个，随机选取128个负样本，多余的标注未忽略样本）
(最后会出现两种情况，一是正负样本各128个，总共256个样本；二是正样本少于128个(如50个)，负样本128个，总样本少于256个)

2.3 RCNN网络正负样本分配

 　　同样的，对于layer3 feture(36*63), 每个像素点预测15个proposl，因此RPN网络会预测出34020个proposal，需要从这34020个proposal中选出128个proposal给RCNN网络的(layer4+predictor)模块来学习。proposal挑选流程如下：

1.共34020(36*63*15)个proposal，对proposal边界进行clip，去掉宽高太小(小于16)的proposal;
2.根据预测分数排序，对前12000个proposal进行box_nms(阈值为0.7)，nms后选择排序最前面的2000个proposal
3.rpn_score>0, IOU>0.5的proposal为正样本，IOU<0.5的为负样本；rpn_score<=0的为忽略样本
4.从2000个proposal中挑出128个样本，正样本最多32个，负样本96个(128-32)

3. Loss函数理解

　　faster_rcnn的损失包括RPN loss和RCNN loss两部分，都包括置信度和位置偏移量损失；RPN Loss的置信度采用二分类交叉熵损失SigmoidBinaryCrossEntropyLoss，位置偏移量采用SmoothL1；RCNN Loss的置信度采用多分类交叉熵损失SoftmaxCrossEntrophyLoss, 位置偏移量采用SmoothL1。faster_rcnn的训练策略上，原始论文中采用先训练RPN网络(只对RPN Loss进行backward)，然后再训练RCNN网络(只对RCNN Loss进行backward)，现在一般都同时训练RPN和RCNN，即将RPN Loss和RCNN Loss汇总后一起backward，下面是摘录的部分源码，便于理解loss的计算和backwar

#self.rpn_cls_loss =mx.gluon.loss.SigmoidBinaryCrossEntropyLoss(from_sigmoid=False)
#self.rpn_box_loss = mx.gluon.loss.HuberLoss(rho=config.rpn_smoothl1_rho)  # == smoothl1
#self.rcnn_cls_loss = mx.gluon.loss.SoftmaxCrossEntropyLoss()
#self.rcnn_box_loss = mx.gluon.loss.HuberLoss(rho=config.rcnn_smoothl1_rho)  # == smoothl1

with autograd.record():
    gt_label = label[:, :, 4:5]
    gt_box = label[:, :, :4]
    cls_pred, box_pred, _, _, _Z, rpn_score, rpn_box, _, cls_targets, 
    box_targets, box_masks, _ = self.net(data, gt_box, gt_label)
    # losses of rpn
    rpn_score = rpn_score.squeeze(axis=-1)
    num_rpn_pos = (rpn_cls_targets >= 0).sum()
    rpn_loss1 = self.rpn_cls_loss(rpn_score, rpn_cls_targets,
                                  rpn_cls_targets >= 0) * rpn_cls_targets.size / num_rpn_pos   #rpn_cls_targets中1表示正样本，0负样本，-1忽略样本
    rpn_loss2 = self.rpn_box_loss(rpn_box, rpn_box_targets,
                                  rpn_box_masks) * rpn_box.size / num_rpn_pos          #rpn_box_masks中1表示正样本，0表示负样本和忽略样本
    # rpn overall loss, use sum rather than average
    rpn_loss = rpn_loss1 + rpn_loss2
    # losses of rcnn
    num_rcnn_pos = (cls_targets >= 0).sum()
    rcnn_loss1 = self.rcnn_cls_loss(
        cls_pred, cls_targets, cls_targets.expand_dims(-1) >= 0) * cls_targets.size/num_rcnn_pos     #cls_targets中1表示正样本，0负样本，-1忽略样本       
    rcnn_loss2 = self.rcnn_box_loss(box_pred, box_targets, box_masks) * box_pred.size/num_rcnn_pos   #box_masks中1表示正样本，0表示负样本和忽略样本
    rcnn_loss = rcnn_loss1 + rcnn_loss2
    # overall losses
    total_loss = rpn_loss.sum() * self.mix_ratio + rcnn_loss.sum() * self.mix_ratio
    total_loss.backward()

　　

参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/273587749?utm_source=wechat_session　　 

　　    https://zhuanlan.zhihu.com/p/82185598?utm_source=wechat_session

　　    https://zhuanlan.zhihu.com/p/123962549

　　    https://zhuanlan.zhihu.com/p/31426458