Bulabula789
论文： 《Rich feature hierarchies for accurate object detection and semantic segmentation》 发表年份：2013 RCNN(Regions with CNN features)是将CNN用到目标检测的一个里程碑，借助CNN良好的特征提取和分类性能，通过RegionProposal方法实现目标检测问题的转化。 Region proposal是一类传统的候选区域生成方法，论文使用 selective search 生成大约2k个候选区域（先用分割手段将图片完全分割成小图，再通过一些合并规则，将小图均匀的合并，经过若干次合并，直到合并成整张原图），然后将proposal的图片进行归一化(大小为217*217)用于CNN的输入。 对每个Region proposal使用CNN提取出一个4096维的特征向量 3.1 CNN提取的特征输入到SVM分类器中，对region proposal进行分类，与 ground-truth box的IoU大于0.5的为正样本，其余为负样本。论文中每个图片正样本个数为32负样本个数为96。得到所有region proposals的对于每一类的分数，再使用贪心的非极大值抑制方法对每一个SVM分类器类去除相交的多余的框。 3.2 使用一个线性回归器对bounding box进行修正，proposal bounding box的大小位置与真实框的转换关系如下： 综上，整个网络结构如下：R-CNN在当年无论是在学术界还是工业界都是具有创造性的，但是现在来看RCNN主要存在下面三个问题： 1）多个候选区域对应的图像需要预先提取，占用较大的磁盘空间； 2）针对传统CNN需要固定尺寸（217*217）的输入图像，crop/warp（归一化）产生物体截断或拉伸，丧失或者改变了图片本身的信息； 3）每一个ProposalRegion都需要进入CNN网络计算，上千个Region存在大量的范围重叠，重复的CNN特征提取导致巨大的计算浪费。论文： 《Spatial Pyramid Pooling in Deep Convolutional Networks for Visual Recognition》 发表年份：2015 既然CNN特征提取如此耗时，为什么还要对每个Region proposal进行特征提取，而不是整体进行特征提取，然后在分类之前做一次Region的截取呢，于是就诞生了SPP-Net。 1.解决了CNN需要固定大小输入的变换后导致图片信息丢失或者变化的问题 2.对于一张图，只需要进行一次的特征提取运算，避免了R-CNN中特征重复计算的问题 CNN为什么需要固定大小的输入？ R-CNN中会对图片缩放成217*217的固定大小，从而导致物体发生形变（如下图的上部分所示）。与前面不同，SPP-Net是加在最后一个卷积层的输出的后面，使得不同输入尺寸的图像在经过前面的卷积池化过程后，再经过SPP-net，得到相同大小的feature map，最后再经过全连接层进行分类 以AlexNet为例，经CNN得到conv5输出的任意尺寸的feature map，图中256-d是conv5卷积核的数量。将最后一个池化层pool5替换成SPP layer，将feature map划分成不同大小的网格，分别是`4x4`,`2x2`,`1x1`，每个网格中经过max pooling，从而得到4x4+2x2+1x1=21个特征值，最后将这21个特征值平铺成一个特征向量作为全连接层的输入，这种方式就是 空间金字塔池化 。 与R-CNN不同，SPP-Net中是将整张图片进行一次特征提取，得到整张图片的feature map，然后对feature map中的候选区域（RoIs）经过空间金字塔池化，提取出固定长度的特征向量进入全连接层。 原图候选区域与特征图上的RoIs的转换流程：综上，整个网络结构如下图。SPP-Net相比R-CNN做了很多优化，但现在来看依然存在一些问题，主要如下：论文： 《Fast R-CNN》 发表年份：2015 Fast R-CNN是对R-CNN的一个提升版本，相比R-CNN，训练速度提升9倍，测试速度提升213倍，mAP由66%提升到66.9%主要改进点如下：多任务损失函数(Multi-task Loss)： Fast R-CNN将分类和边框回归合并，通过多任务Loss层进一步整合深度网络，统一了训练过程。分为两个损失函数：分类损失和回归损失。分类采用softmax代替SVM进行分类，共输出N(类别)+1(背景)类。softmax由于引入了类间竞争，所以分类效果优于SVM，SVM在R-CNN中用于二分类。回归损失输出的是4*N(类别)，4表示的是(x,y,w,h分别表示候选框的中心坐标和宽、高)。 SVD对全连接层进行分解： 由于一张图像约产生2000个RoIs，将近一半多的时间用在全连接层计算，为了提高运算速度，使用 SVD(奇异值分解) 对全连接层进行变换来提高运算速度。一个大的矩阵可以近似分解为三个小矩阵的乘积，分解后的矩阵的元素数目远小于原始矩阵的元素数目，从而达到减少计算量的目的。通过对全连接层的权值矩阵进行SVD分解，使得处理一张图像的速度明显提升。 论文： 《Faster R-CNN: Towards Real-Time Object Detection with Region Proposal Networks》 发表年份：2016 SPP-Net和Fast R-CNN都有一个非常耗时的候选框选取的过程，提取候选框最常用的SelectiveSearch方法，提取一副图像大概需要2s的时间，改进的EdgeBoxes算法将效率提高到了0.2s，但是还是比较耗时。 Fast R-CNN中引入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） Region Proposal Network： RPN的核心思想是候选框的提取不在原图上做，而是在feature map上做，这意味着相比原图更少的计算量。在Faster R-CNN中，RPN是单独的分支，通过RPN提取候选框并合并到深度网络中。多尺度先验框： RPN网络的特点在于通过滑动窗口的方式实现候选框的提取，每个滑动窗口位置生成9个候选窗口（不同尺度、不同宽高），提取对应9个候选窗口（anchor）的特征，用于目标分类和边框回归，与FastRCNN类似。anchor的生成规则有两个：调整宽高比和放大。如下图所示，假设base_size为16，按照1:2,1:1,2:1三种比例进行变换生成下图上部分三种anchor；第二种是将宽高进行三种倍数放大，2^3=8，2^4=16，2^5=32倍的放大，如16x16的区域变成(16*8)*(16*8)=128*128的区域，(16*16)*(16*16)=256*256的区域，(16*32)*(16*32)=512*512的区域。训练过程中，涉及到的候选框选取，选取依据如下： 从模型训练的角度来看，通过使用共享特征交替训练的方式，达到接近实时的性能，交替训练方式为： Faster R-CNN实现了端到端的检测，并且几乎达到了效果上的最优，有些基于Faster R-CNN的变种准确度已经刷到了87%以上。速度方面还有优化的余地，比如Yolo系列（Yolo v1/v2/v3/v4）。对于目标检测，仍处于一个探索和高度发展的阶段，还不断有更优的模型产生。
Joy9999999
对于目标检测方向并不是特别熟悉，本文记录一下RCNN, fast-RCNN, faster-RCNN, mask-RCNN这4篇有关目标检测的论文笔记和学习心得。
R-CNN的意思就是Region based，主要思路就是根据一张图像，提取多个region，再将每个Region输入CNN来进行特征的提取。因此RCNN就可以分为 Region proposals , Feature extraction 两个主要部分，提取的特征就可以输入任意一个分类器来进行分类。 模型的流程图如下：
在训练的时候，首先使用的是已经训练好的CNN网络作为特征提取器，但是由于预训练是在分类数据集上，因此在应用到检测之前要做finetune。也就是说，为了将用ImageNet数据集训练的网络应用到新的任务（检测），新的数据集（region）上，作者将原来的CNN最后的1000类的fc层，更改为了 层， 代表待检测的物体的类别数。然后，对于所有的region，如果它和ground truth的重叠率大于0.5，就认为是正类。 对于分类器的训练，作者发现选择多大的IoU来区分正类和负类非常关键。并且，对于每一类，都会训练一个分类器。
框的回归非常重要，在对每一个region proposal使用分类器进行打分评价之后，作者使用一个回归器来预测一个新的框作为结果。这个回归器使用的特征是从CNN中提取的特征。回归器的训练中，输入是 region proposal 的 和ground truth的 ，目标是学习一种变换，使得region proposal通过该变换能够接近ground truth。同时，希望这种变换拥有尺度不变性，也就是说尺度变化的话，变换不会改变。 如下图所示，每一个regressor会学习一组参数，特征输入是pool 5的特征输出，拟合的目标是 。
Fast-RCNN 主要解决的问题是在RCNN中对于每一个region proposal都进行特征提取，会产生非常多的冗余计算，因此可以先对一张图像进行特征提取，再根据region proposal在相应的特征上进行划分得到对应region的特征（映射关系）。 这样便可以实现共享计算提高速度，但是与SPPnets不同，SPPnets在一副图像得到对应的特征后，从这张图像的特征上proposal对应的部分，采用空间金字塔池化，如下图：
RoI pooling的方法很简单，类似于空间金字塔pooling，它将proposal部分对应卷积层输出的特征（称之为RoI，因为用于做pooling的特征是 region of interest，也就是我们感兴趣的区域）划分成 块，然后对每一块求最大值，最终得到了一个 的特征图。可以看出，它只是空间金字塔pooling的一部分。 但是SPP-nets的空间金字塔也是可以求导的，那么它到底不好在哪里呢？因为当每一个RoI都可能来源于不同的图像的时候（R-CNN和SPPnets的训练策略是从一个batch的不同图像中，分别挑选一个proposal region），SPPNets的训练非常地低效，这种低效来源于在SPPnets的训练中，每个RoI的感受野都非常地大，很可能对应了原图的整个图像，因此，得到的特征也几乎对应了整张图像，所以输入的图像也就很大。 为了提高效率，Fast-RCNN首先选取 个图像，再从每个图像上选择 个RoI，这样的效率就比从每个图像提取一个RoI提高了 倍。
为了将分类和框回归结合起来，作者采用了多任务的loss，来进行联合的训练。具体来说就是将分类的loss和框回归的loss结合起来。网络的设计上非常直接，就是将RoI得到的特征接几个FC层后，分别接不同的输出层。对应于分类部分，特征会接一个softmax输出，用于分类，对于框回归部分，会接一个输出4维特征的输出层，然后分别计算loss，用于反向传播。loss的公式如下：
回归的target可以参考前面的R-CNN部分。
notes
为什么比fast还fast呢？主要原因是在这篇论文中提出了一个新的层：RPN（region proposal networks）用于替代之前的selective search。这个层还可以在GPU上运算来提高速度。 RPN的目的：
为了能够进行region proposal，作者使用了一个小的网络，在基础的卷积层输出的特征上进行滑动，这个网络输入大小为 ，输入后会映射（用 的卷积）为一个固定长度的特征向量，然后接两个并联的fc层（用 的卷积层代替），这两个fc层，一个为box-regressoin，一个为box-classification。如下图：
在每一个滑动窗口（可以参考 ），为了考虑到尽可能多的框的情况，作者设计了anchors来作为region proposal。anchors就是对于每一个滑动窗口的中心位置，在该位置对应的原图位置的基础上，按照不同的尺度，长宽比例框出 个不同的区域。然后根据这些anchors对应的原始图像位置以及区域，和ground truth，就可以给每一个滑动窗口的每一个anchor进行标记，也就是赋予label，满足一定条件标记为正类（比如和ground truth重叠大于一个值），一定条件为负类。对于正类，就可以根据ground truth和该anchor对应的原图的区域之间的变换关系（参考前面的R-CNN的框回归），得到回归器中的目标，用于训练。也就是论文中的loss function部分：
自然地，也就要求RPN的两个并联的FC层一个输出2k个值用于表示这k个anchor对应的区域的正类，负类的概率，另一个输出4k个值，用于表示框回归的变换的预测值。
对于整个网络的训练，作者采用了一种叫做 4-step Alternating Training 的方法。具体可以参考论文。
与之前的检测任务稍有不同，mask r-cnn的任务是做instance segmentation。因此，它需要对每一个像素点进行分类。 与Faster R-CNN不同，Faster R-CNN对每一个候选框产生两个输出，一个是类别，一个是bounding box的offset。Mask R-CNN新增加了一个输出，作为物体的mask。这个mask类似于ps中的蒙版。
与Faster R-CNN类似的是，Mask R-CNN同样采用RPN来进行Region Proposal。但是在之后，对于每一个RoI，mask r-cnn还输出了一个二值化的mask。
不像类别，框回归，输出都可以是一个向量，mask必须保持一定的空间信息。因此，作者采用FCN来从每个RoI中预测一个 的mask。
由于属于像素级别的预测问题，就需要RoI能够在进行特征提取的时候保持住空间信息，至少在像素级别上能够对应起来。因此，传统的取最大值的方法就显得不合适。 RoI Pooling，经历了两个量化的过程： 第一个：从roi proposal到feature map的映射过程。 第二个：从feature map划分成7*7的bin，每个bin使用max pooling。
为此，作者使用了RoIAlign。如下图
为了避免上面提到的量化过程
可以参考
作者使用ResNet作为基础的特征提取的网络。 对于预测类别，回归框，mask的网络使用如下图结构：
整体看完这几篇大佬的论文，虽说没有弄清楚每一个实现细节，但是大体上了解了算法的思路。可以看出，出发点都源于深度神经网络在特征提取上的卓越能力，因此一众大神试图将这种能力应用在检测问题中。从R-CNN中简单地用于特征提取，到为了提高速度减少计算的Fast R-CNN，再到为了将region proposal集成进入整个模型中，并且利用GPU加速的RPN，也就是Faster R-CNN。再到为了应用于instance segmentation任务中，设计的RoIAlign和mask。包括bounding box regression，pooling层的设计，训练方法的选择，loss的设计等等细节，无一不体现了大师们的思考和创造力。 可能在我们这些“拿来”者的眼中，这些方法都显得“理所应当”和巧妙，好用，但是，它们背后隐藏的选择和这些选择的思考却更值得我们学习。 以及，对待每一个问题，如何设计出合理的解决方案，以及方案的效率，通用性，更是应该我们努力的方向。
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lalack1987 3人参与回答 2023-12-11 做科研必须要发表论文来作为自己的科研成果，作为自己评定职称的一个依据了，这也是很多科研从业者必须要走的一条路了
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