目标检测-- R-CNN讲解
这一系列计划将目标检测经典算法进行整理，理解技术发展脉络。
参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/23006190
https://zhuanlan.zhihu.com/p/36278093
https://zhuanlan.zhihu.com/p/39927488
https://www.cnblogs.com/wangguchangqing/p/10393934.html
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R-CNN最大的贡献为将CNN引入目标检测领域，进行目标提取。
RCNN算法分为4个步骤。
候选区域生成： 一张图像生成1K~2K个候选区域 （采用Selective Search 方法）
特征提取： 对每个候选区域，使用CNN提取特征
类别判断： CNN最后一层FC特征送入每一类的SVM 分类器，进行二分类判断是否属于该类
位置精修： 使用回归器精细修正候选框位置
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1 候选区域生成
R-CNN使用Selective Search对每张图像生成1k-2k推荐区域。
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Selective Search主体思想为基于过分割方法，产生图像初始区域，使用贪心算法对区域进行迭代分组:
- 1 计算所有邻近区域之间的相似性；
- 2 两个最相似的区域被组合在一起；
- 3 计算合并区域和相邻区域的相似度；
*4 重复2、3过程，直到整个图像变为一个地区。
每次迭代，将合并区域的Bounding box坐标添加到推荐区域中。
为了保证分割多样性，提升由分割得到的Bounding box的多样性，区域合并规则考虑了颜色、纹理、尺度、形状四种相似性比较方法。
经过迭代最终对每张图片生成1k-2k推荐框。
2 特征提取
2.1 reseize
以Alexnet作为特征提取网络。该部分作用为对区域推荐方法推荐的2k区域提取特征。用于后续的svm分类。
Alexnet结果如下图，输入为227*227， f6、f7的神经元个数都是4096，对于每张输入区域裁剪图片，网络最后提取特征得到一个4096维的特征向量。
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由于CNN输入需要固定尺寸，需要将2k推荐区域缩放成固定尺寸，有两种缩放方法：各向异性缩放（相当于直接resize,不考虑长宽比，会造成目标变形扭曲）（上图），各项同性缩放（可以先扩充后裁剪也可以先裁剪后扩充）（下图）。
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最终采用各向异性缩放+padding=16的缩放形式将原始推荐区域裁剪成固定尺寸。
2.2 CNN的训练过程
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CNN训练的作用就是提取特征输出为fc7的4096维特征向量用于分类。由于目标任务数据量可能较小，直接训练易造成收敛困难的问题，故采用预训练+fine-tuning方法。CNN先在Imagenet训练，然后在目标数据集上以每张图像生成的2k个区域作为输入，进行fine-tuning。fine-tuning时，前面网络参数均固定，只改变最后softmax层的维度，将原始imagenet的1000修改为目标任务类别+1（如VOC任务20+1=21）.
- 有一个点未弄清楚，这里具体固定哪些层，对哪些层进行finetuning不确定，有的文章说说conv+所有fc均固定，仅训练softmax，那样训练完提取fc7的体征与就是原始在imagenet训练的CNN的参数，训练就没有意义了。应该是要对fc6及fc7的参数进行调参。
CNN训练需要需要label,CNN输入为每张图像的2k个推荐区域图像，其label定义为正负样本，规定，iou>0.5是该类别的正样本（20类正样本），iou<0.5是该类别的负样本（1类背景负样本）。
3.SVM分类训练
将CNN f7层特征被提取出来，为每个物体类别训练一个svm分类器。CNN提取2K个候选框，可以得到20004096这样的特征向量矩阵，把这样的一个矩阵与svm权值矩阵4096N点乘(N为分类类别数目，因为我们训练的N个svm，每个svm包含了4096个权值w)，就可以得到结果了。
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SVM训练过程正负样本定义推荐区域与bounding box IOU>0.7为正样本，否则为负样本。
- 解惑。CNN中使用softmax进行分类可起到同样效果，为什么需要单独训练一个SVM.
因为CNN中正负样本的定义比较宽泛，需要在特征提取与分类性能间做权衡。SVM只用于样本分类，正负样本定义较严格，直接使用CNN的softmax性能不如SVM。
4 位置精修
回归器：对每一类目标，使用一个线性脊回归器进行精修。正则项λ=10000。 输入为深度网络pool5层的4096维特征，输出为xy方向的缩放和平移。 训练样本：判定为本类的候选框中和真值重叠面积大于0.6的候选框。
5 测试阶段
使用selectivesearch 对输入图像生成2k推荐区域---每个区域resize成227*227---CNN提取特征---对于每个类别，使用这类的SVM对特征向量打分，得到所有区域对于这一类别的分数，使用NMS去除冗余框，得到bounding-box，再进行位置精修。
