简析物体识别SSD算法

【学习笔记，仅作参考，欢迎交流】

发表于 ECCV-2016 的 SSD 算法是继 Faster RCNN 和 YOLO 之后又一个杰出的物体检测算法。与 Faster RCNN 和 YOLO 相比，它的识别速度和性能都得到了显著的提高。

传送门： SSD: Single Shot MultiBox Detector

1. 物体检测

• 定位 (Localization)： 检测器需要给出物体在图像中的位置 (bounding box)
• 分类 (Classification)： 检测器需要给出物体的类别 (label)
  图片修改自斯坦福 CS231N 课件

2. 相关的算法

• 基于区域的算法： RCNN, Fast RCNN, Faster RCNN, Mask RCNN 等
  整个检测过程分为两个阶段。在第一个阶段，检测器需要找到一些假设的区域 (ROI)；在第二个阶段，检测器需要在这些假设区域上进行分类 (classification) 和 位置回归 (bounding box regression)。
  

  Faster RCNN

• 基于回归的算法：YOLO 等
  端到端 (end-to-end) 的检测过程，直接回归出物体的类别和位置。
  

  YOLO

3. SSD算法

SSD 算法是 Faster RCNN 和 YOLO 的结合：

• 采用了基于回归的模式(类似于YOLO)，在一个网络中直接回归出物体的类别和位置，因此检测速度很快。
• 同时也利用了基于区域的概念(类似于Faster RCNN)，在检测的过程中，使用了许多候选区域作为ROI。

骨干网络：
SSD的骨干网络是基于传统的图像分类网络，例如 VGG，ResNet 等。本文以 VGG16 为例进行分析。如下图所示，经过10个卷积层(con. layer) 和 3个池化层(max pooling) 的处理，我们可以得到一个尺寸为 38×38×512 的特征图 (feature map)。下一步，我们需要在这个特征图上进行回归，得到物体的位置和类别。

骨干网络

回归 (Regression)：
和 YOLO 的回归操作相似，首先我们先考虑在特征图的每个位置上，有且只有一个候选框(default box)的情况。

• 位置回归：检测器需要给出框中心偏移量 (cx,cy)，相对于图片尺寸的宽度和高度 (w,h)，总计需要回归四个值。
• 分类: 对于每一个 bounding box，我们需要给出 20个类别+1个背景类 的得分(score)。
  回归
  对于每一个位置，我们需要一个25维的向量来存储检测物体的位置和类别信息。对于我们的38×38的特征图，我们需要一个维度为 38×38×25 的空间来存储这些信息。因此，检测器需要学习特征图(38×38×512)到检测结果(38×38×25)的映射关系。这一步转换，使用的是卷积操作：使用25个3×3的卷积核，对特征图进行卷积。到这里，我们已经完成了在每个位置上回归一个框的操作。
• 多个候选框：SSD在每个位置上，希望回归k个基于不同尺寸的框。因此在每个位置上需要 25×k 维的空间，存储这些框的回归和分类信息，因而卷积操作变成了使用 25×k个3×3的卷积核，来获得 38×38×25k 维度的检测结果图(score map)。
• 多个特征图：对于神经网络，浅层的特征图包含了更较多的细节信息，更适合进行小物体的检测；而较深的特征图包含了更多的全局信息，更适合大物体的检测。因此，通过在不同的特征图上对不同尺寸的候选框进行回归，可以对不同尺寸的物体有更好的检测结果。
  多个特征图

4. 实验结果

实验结果(部分)
SSD的检测精度和速度都非常出色，76.8 mAP 和 22FPS 超过了Faster RCNN和YOLO。