Faster R-CNN讲透版

之前对Faster R-CNN一直模棱两可，最近将Faster R-CNN进行了深入了解。用此文对Faster R-CNN讲透。
参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/32404424
https://zhuanlan.zhihu.com/p/31426458

1. Faster R-CNN架构

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主体为3部分。

• Extractor用于对图像提取特征，得到feature map.
• RPN提供感兴趣区域rois
• ROIHead 对rois进行分类与坐标回归

2.数据处理

Faster R-CNN有对原始图像进行resize成HxW的操作。使得长边小于等于1000，短边小于等于600（至少有一个等于）。可直接理解为resize为1000*600.

3.特征提取

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以VGG16为例，conv层feature map尺寸不变，经过四次pooling后，原始图像尺寸下降为1/16。原始图片resize之后尺寸为3×H×W，四次下采样后的feature map尺寸为C×(H/16)×(W/16)

4.RPN

4.1 anchor生成

RPN对feature map的每一个点生成9中尺寸的anchor，即大小为（128，256，512），长宽比为（1：1，1：2，2：1）。

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对于1000×600尺寸的图片，经过四次下采样的feature map 尺寸为62×37（即(1000/16)×(600/16)）每个点取9个anchor即62×37×9约为20000个anchor。

4.2 RPN训练

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RPN的训练过程是对anchor进行分类与坐标回归。20000个anchor全部进行训练不现实，所以AnchorTargetCreator用于从20000个anchor选择256个。

• 对于每一个ground truth bounding box (gt_bbox)，选择和它重叠度（IoU）最高的一个anchor作为正样本
• 对于剩下的anchor，从中选择和任意一个gt_bbox重叠度超过0.7的anchor，作为正样本，正样本的数目不超过128个。
• 随机选择和gt_bbox重叠度小于0.3的anchor作为负样本。负样本和正样本的总数为256。
  简单地说正负样本1：1选择256个anchor传入RPN网络进行训练。RPN网络结构为全卷积，所以不限制形状。经过33卷积层后是两个11卷积层分别用于分类（positive与negative样本）与位置回归。分类是个1（前景），0（后景）的二分类问题。
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  回归是对四个参数进行回归，注意只有当GT与需要回归框位置比较接近时，才可近似线性变换成立。
  总结来说，RPN训练的作用是对anchor的二分类与坐标回归。
  4.3 RPN生成ROIs
  RPN在自身训练的同时，还会提供RoIs（region of interests）给Fast RCNN（RoIHead）作为训练样本。RPN生成RoIs的过程(ProposalCreator)如下：
• 对于每张图片，利用它的feature map， 计算 (H/16)× (W/16)×9（大概20000）个anchor属于前景的概率，以及对应的位置参数。
• 选取概率较大的12000个anchor
• 利用回归的位置参数，修正这12000个anchor的位置，得到RoIs
• 利用非极大值（(Non-maximum suppression, NMS）抑制，选出概率最大的2000个RoIs
• 注意：在inference的时候，为了提高处理速度，12000和2000分别变为6000和300.

NMS的作用是消除冗余框，希望只有一个框来代表目标
操作过程，1）对所有框的得分排序，选中得分最高的框，2）将与该框IOU比例高于阈值的框删去，3）从未选过的框再选择得分最高的框，重复这个过程。

5.Fast R-CNN/ROI Head

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RPN给ROIHead传给2000个ROIs,ProposalTargetCreator将2000个ROIs减少为128个RIOs,传给RIO Pooling,其作用是将128个尺寸各异的RIOs pooling成相同尺寸的feature map（7*7），pooling成相同的尺寸因为后面分类与回归用的是全连接层，需要固定尺寸。ROIPooling后两个全连基层与特征提取网络的FC尺寸相同，可是用预期参数共享，作为初始化参数。再接FC21用于目标分类（20个类别+1背景）FC84坐标回归（21个类别，每个类别4个位置参数）。

5.1ProposalTargetCreator

ROIHead不是讲RPN给的2000个ROIs全部训练，而是ProposalTargetCreator将2000个ROIs减少为128个RIOs。

• iou>0.3选择32个，作正样本
• iou<=0.1作负样本。
  即正负样本1：3共128个ROIs训练ROIHead。

5.2 训练细节

对128个ROIs的坐标进行标准化处理（减去均值除以标准差）。
对于分类问题,直接利用交叉熵损失. 而对于位置的回归损失,一样采用Smooth_L1Loss, 只不过只对正样本计算损失.而且是只对正样本中的这个类别4个参数计算损失。

5.3测试

测试的时候对所有的RoIs（大概300个左右) 计算分类（21类）概率，并利用位置参数调整预测候选框的位置。然后再用一遍极大值抑制（之前在RPN的ProposalCreator用过）。

细节

• 测试时候，RPN生成ROIs时候，使用NMS降低数量，到ROIHead，再用NMS降低目标框数量。（两次NMS）
• 测试时候，RPN生成ROIs时候，对6000个anchor进行了位置回归，到ROIHead，再对位置进行回归。(两次位置回归)
• RPN分类是二分类，ROIHead是21分类（20类目标+1背景）
• 在训练Faster RCNN的时候总损失是四个损失的和：

RPN 分类损失：anchor是否为前景（二分类）
RPN位置回归损失：anchor位置微调
RoI 分类损失：RoI所属类别（21分类，多了一个类作为背景）
RoI位置回归损失：继续对RoI位置微调

• 三个creator

AnchorTargetCreator ： 负责在训练RPN的时候，从上万个anchor中选择一些(比如256)进行训练，以使得正负样本比例大概是1:1. 同时给出训练的位置参数目标。 即返回gt_rpn_loc和gt_rpn_label。
ProposalTargetCreator： 负责在训练RoIHead/Fast R-CNN的时候，从RoIs选择一部分(比如128个)用以训练。同时给定训练目标, 返回（sample_RoI, gt_RoI_loc, gt_RoI_label）
ProposalCreator： 在RPN中，从上万个anchor中，选择一定数目（2000或者300），调整大小和位置，生成RoIs，用以Fast R-CNN训练或者测试。
其中AnchorTargetCreator和ProposalTargetCreator是为了生成训练的目标，只在训练阶段用到，ProposalCreator是RPN为Fast R-CNN生成RoIs，在训练和测试阶段都会用到