目标检测之Faster RCNN分析

基本流程

1. 图像输入网络得到特征图
2. 使用RPN生成候选框，将候选框投影到特征图获得特征矩阵
3. 对特征矩阵使用ROI pooling得到特征图并展平，得到预测结果

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重点解析

RPN在网络中的位置

在上图中，从feature map层来看，有两个指向上层的箭头，其中左侧指向Region Proposal Network的即为RPN结构，右侧指向Roi pooling与fast rcnn保持一致。

RPN结构

在feature map上使用$3\ast 3$滑动窗口，每一个位置得到一个256维向量（不唯一，此处backbone输出的深度为256），然后经过全连接层，得到分类的2k个分数（对应右侧指向的k个anchor，每个anchor两个参数描述前景概率与后景概率），与位置框回归的4k个参数。

特征图的anchor与原图的对应关系：
由原图与特征图的放缩比例系数，可计算出特征图的anchor中心对应在原图的坐标，然后在原图上生成一系列指定大小的anchor。
在原图上的anchor，每个位置有9个不同大小，三种面积{ $128\ast 128$，$256\ast 256$，$512\ast 512$}，三种长宽比例{ $1:1$，$1:2$，$2:1$}

2k参数（每两个一组，表示（前景概率，后景概率））：

( 0.2	0.8)	(0.7	0.3)	(0.4	0.6)	(0.9	0.1)	…	…	…

4k参数（每四个一组，表示第k个anchor的预测回归（$d_x^k,d_y^k,d_w^k,d_h^k$））：

( 0.12	0.21	0.74	0.33)	(0.54	0.16	0.09	0.21)	…	…	…

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RPN损失函数

由分类损失与边界框的损失组成

其中
$p_i$是第i个anchor预测为真实标签的概率
$p_i^{\ast }$正样本为1，负样本为0
$t_i$是预测第i个anchor的边界框的参数
$t_i^{\ast }$是真实框的参数
$N_{cls}$是一个batch中的样本数量
$N_{reg}$是anchor位置个数

Faster R-CNN训练

论文中采取RPN Loss + Fast R-CNN Loss联合训练方法

1. 使用预训练分类模型初始化卷积网络参数（即上图中的CNN层），单独训练RPN网络（上图左侧箭头部分）
2. 固定RPN网络的卷积层与全连接层参数，并使用RPN网络生成的目标框训练Fast RCNN网络（上图右侧箭头部分）
3. 固定训练好的Fast RCNN网络参数，微调RPN网络参数
4. 固定RPN网络的卷积层与全连接层参数，微调Fast RCNN网络参数（Roi pooling层及以后）