Faster RCNN系列5——RoI Pooling与全连接层

Faster RCNN系列：

Faster RCNN系列1——Anchor生成过程
Faster RCNN系列2——RPN的真值与预测值概述
Faster RCNN系列3——RPN的真值详解与损失值计算
Faster RCNN系列4——生成Proposal与RoI
Faster RCNN系列5——RoI Pooling与全连接层

   在RPN网络中，已经计算过一次类别真值与类别预测值、偏移量真值与偏移量预测值之间的损失值，但这里的类别预测值只包含两类：前景和背景。

  RPN网络输出的Proposal作为生成的区域，继续在后续的RoI Pooling和全连接层中进行分类与回归。

一、RoI Pooling

  RoI Pooling的主要作用是将RPN网络生成的Proposal变换到相同的维度，以满足后续全连接层的要求。

  RoI Pooling的实现过程如下图所示，假设当前的Rol为图中左侧图像的边框，大小为$332\times 332$，为了得到这个RoI的特征图，首先需要将该区域映射到全图的特征图上，由于下采样率为16，因此该区域在特征图上的坐标直接除以16并取整，而对应的大小为$332/16=20.75$。在此, Rol Pooling的做法是直接将浮点数量化为整数，取整为$20\times 20$,也就得到了该RoI的特征，即图中第3步的边框。

  下一步还要将该$20\times 20$区域处理为$7\times 7$的特征，然而$20/7\approx 2.857$，再次出现浮点数，RoI Pooling的做法是再次量化取整，$2.857$取整为$2$，然后以$2$为步长从左上角开始选取出$7\times 7$的区域，这样每个小方格在特征图上都对应$2\times 2$的大小，如图中第4步所示。最后，取每个小方格内的最大特征值，作为这个小方格的输出，最终实现了$7\times 7$的输出，也完成了池化的过程，如图中第5步所示。

二、RoI Align

  RoI Pooling的问题在于进行了两次量化取整，有精度误差，对回归物体位置的准确率影响较大。

  Mask RCNN提出了RoI Align，使用双线性插值获得浮点数格式的坐标，过程如下图所示，池化后的特征大小仍为$7\times 7$，但对应到特征图上的大小为$20.75\times 20.75$，不做量化。

  接下来，将特征图上的$20.75\times 20.75$大小均匀分成$7\times 7$方格的大小，中间的点依然保留浮点数。在此选择其中$2\times 2$方格为例，如下图所示，在每一个小方格内的特定位置选取4个采样点进行特征采样，如图中每个小方格选择了4个小黑点，然后对这4个黑点的值选择最大值，作为这个方格最终的特征。

  对于黑点的位置，可以将小方格平均分成$2\times 2$的4份，然后这4份更小单元的中心点可以作为小黑点的位置。

  对于这4个小黑点的值，RoI Align使用了双线性插值的方法。小黑点周围会有特征图上的4个特征点，利用这4个特征点双线性插值出该黑点的值。

三、全连接网络

  在经过RoI Pooling层之后，特征被池化到了固定的维度，然后就可以利用全连接网络进行分类和回归预测量的计算。

  全连接网络如下图所示，256个Rol经过池化之后得到固定维度为$512\times 7\times 7$的特征，在此首先将这三个维度延展为一维，因为全连接网络需要将一个Rol的特征全部连接起来。

  接下来利用VGGNet的两个全连接层，得到长度为4096的256个RoI特征。为了输出类别与回归的预测，将上述特征分别接入分类与回归的全连接网络。在此默认为21类物体，因此分类网络输出维度为21，回归网络则输出每一个类别下的4个位置偏移量，因此输出维度为84。

参考文章

《深度学习之Pytorch物体检测实战》