【目标检测】Fast R-CNN论文详解（Fast R-CNN）

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2014年R-CNN横空出世，首次将卷积神经网络带入目标检测领域。受SPPnet启发，rbg在15年发表Fast R-CNN，它的构思精巧，流程更为紧凑，大幅提高目标检测速度。

在同样的最大规模网络上，Fast R-CNN和R-CNN相比，训练时间从84小时减少为9.5小时，测试时间从47秒减少为0.32秒。在PASCAL VOC 2007上的准确率相差无几，约在66%-67%之间。

一.Fast R-CNN所解决R-CNN的三个问题

关于R-CNN的一些总结见我另一篇文章 https://www.jianshu.com/p/c1696c27abf8

1.测试速度慢

R-CNN中用CNN对每一个候选区域反复提取特征，而一张图片的2000个候选区域之间有大量重叠部分，这一设定造成特征提取操作浪费大量计算。

Fast R-CNN将整个图像归一化后直接送入CNN网络，卷积层不进行候选区的特征提取，而是在最后一个池化层加入候选区域坐标信息，进行特征提取的计算。

2.训练速度慢

同上

3.训练所需空间大

R-CNN中目标分类与候选框的回归是独立的两个操作，并且需要大量特征作为训练样本。

Fast R-CNN将目标分类与候选框回归统一到CNN网络中来，不需要额外存储特征。

二.Fast R-CNN网络结构

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相比R-CNN最大的区别，在于RoI池化层和全连接层中目标分类与检测框回归微调的统一。

1.RoI池化层

RoI池化层可以说是SPP（spatial pyramid pooling）的简化版，关于SPPnet的总结见我的另一篇文章 https://www.jianshu.com/p/90f9d41c6436。RoI池化层去掉了SPP的多尺度池化，直接用MxN的网格，将每个候选区域均匀分成M×N块，对每个块进行max pooling。从而将特征图上大小不一的候选区域转变为大小统一的特征向量，送入下一层。

2.特征提取方式

Fast R-CNN在特征提取上可以说很大程度借鉴了SPPnet，首先将图片用选择搜索算法（selective search）得到2000个候选区域（region proposals）的坐标信息。另一方面，直接将图片归一化到CNN需要的格式，整张图片送入CNN（本文选择的网络是VGG），将第五层的普通池化层替换为RoI池化层，图片然后经过5层卷积操作后，得到一张特征图（feature maps），开始得到的坐标信息通过一定的映射关系转换为对应特征图的坐标，截取对应的候选区域，经过RoI层后提取到固定长度的特征向量，送入全连接层。

3.联合候选框回归与目标分类的全连接层

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在R-CNN中的流程是先提proposal，然后CNN提取特征，之后用SVM分类器，最后再做bbox regression进行候选框的微调；Fast R-CNN则是将候选框目标分类与bbox regression并列放入全连接层，形成一个multi-task模型。

cls_ score层用于分类，输出K+1维数组p，表示属于K类和背景的概率。 bbox_predict层用于调整候选区域位置，输出4*K维数组t，表示分别属于K类时，应该平移缩放的参数。

网络的代价函数细节如下图所示： image

三.Fast R-CNN的训练与测试

1.训练

首先用ILSVRC 20XX数据集进行预训练，预训练是进行有监督的分类的训练。然后在PASCAL VOC样本上进行特定调优（fine tunning），调优的数据集中25%的正样本（与真实框IoU在0.5-1的候选框）、75%的负样本（与真实框IoU在0.1-0.5的候选框）。PASCAL VOC数据集中既有物体类别标签，也有物体位置标签，有20种物体；正样本仅表示前景，负样本仅表示背景；回归操作仅针对正样本进行。

在调优训练时，每一个mini-batch中首先加入N张完整图片，而后加入从N张图片中选取的R个候选框。这R个候选框可以复用N张图片前5个阶段的网络特征，文章中N=2,R=128。微调前，需要对有监督预训练后的模型进行3步转化：

1. RoI池化层取代有监督预训练后的VGG-16网络最后一层池化层；

2. 两个并行层取代上述VGG-16网络的最后一层全连接层和softmax层，并行层之一是新全连接层1+原softmax层1000个分类输出修改为21个分类输出【20种类+背景】，并行层之二是新全连接层2+候选区域窗口回归层；

3. 上述网络由原来单输入：一系列图像修改为双输入：一系列图像和这些图像中的一系列候选区域；

2.测试

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四.其他亮点

1.SVD全连接层加速网络

图像分类任务中，用于卷积层计算的时间比用于全连接层计算的时间多，而在目标检测任务中，selective search算法提取的建议框比较多【约2k】，几乎有一半的前向计算时间被花费于全连接层，就Fast R-CNN而言，RoI池化层后的全连接层需要进行约2k次【每个建议框都要计算】，因此在Fast R-CNN中可以采用SVD分解加速全连接层计算,具体实现如下：

① 物体分类和窗口回归都是通过全连接层实现的，假设全连接层输入数据为x，输出数据为y，全连接层参数为W，尺寸为u×v，那么该层全连接计算为:

y=Wx(计算复杂度为u×v)

② 若将W进行SVD分解，并用前t个特征值近似代替，即:

W=U∑VT≈U(u,1:t)⋅∑(1:t,1:t)⋅V(v,1:t)T

那么原来的前向传播分解成两步:

y=Wx=U⋅(∑⋅VT)⋅x=U⋅z

计算复杂度为u×t+v×t，若t<min(u,v)，则这种分解会大大减少计算量；

在实现时，相当于把一个全连接层拆分为两个全连接层，第一个全连接层不含偏置，第二个全连接层含偏置；实验表明，SVD分解全连接层能使mAP只下降0.3%的情况下提升30%的速度，同时该方法也不必再执行额外的微调操作。

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2.图片中心化采样image-centric sampling

R-CNN和SPPnet中采用RoI-centric sampling：从所有图片的所有候选区域中均匀取样，这样每个SGD的mini-batch中包含了不同图像的样本，不同图像之间不能共享卷积计算和内存，运算开销大。

Fast R-CNN中采用image-centric sampling： mini-batch采用层次采样，即先对图像采样【N个】，再在采样到的图像中对候选区域采样【每个图像中采样R/N个，一个mini-batch共计R个候选区域样本】，同一图像的候选区域卷积共享计算和内存，降低了运算开销。

image-centric sampling方式采样的候选区域来自于同一图像，相互之间存在相关性，可能会减慢训练收敛的速度，但是作者在实际实验中并没有出现这样的担忧，反而使用N=2，R=128的image-centric sampling方式比R-CNN收敛更快。

这里解释一下为什么SPPnet不能更新spatial pyramid pooling层前面的卷积层，而只能更新后面的全连接层？ 一种说法解释卷积特征是线下计算的，从而无法在微调阶段反向传播误差；另一种解释是，反向传播需要计算每一个RoI感受野的卷积层梯度，通常所有RoI会覆盖整个图像，如果用RoI-centric sampling方式会由于计算too much整幅图像梯度而变得又慢又耗内存。

五.小结

有的时候，好的成果并不一定全都是首创，Fast R-CNN就是一个很好的说明，SPPnet的池化思想在Fast上得到了简化与发扬，同时作者rbg在R-CNN的基础上进一步将检测框回归整合到了神经网络中来，使得Fast的训练测试速率得到非常大的提升。

论文原文：
https://www.semanticscholar.org/paper/Fast-R-CNN-Girshick/3dd2f70f48588e9bb89f1e5eec7f0d8750dd920a

参考文章：
https://blog.csdn.net/shenxiaolu1984/article/details/51036677