目标检测算法综述

目标检测算法综述

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目前目标检测领域的深度学习方法主要分为两类：two stage的目标检测算法；one stage的目标检测算法。前者是先由算法生成一系列作为样本的候选框，再通过卷积神经网络进行样本分类；后者则不用产生候选框，直接将目标边框定位的问题转化为回归问题处理。正是由于两种方法的差异，在性能上也有不同，前者在检测准确率和定位精度上占优，后者在算法速度上占优。

相对于R-CNN系列的"看两眼"(候选框提取与分类),YOLO只需要Look Once.

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·  YOLO统一为一个回归问题，而R-CNN将检测结果分为两部分求解：物体类别（分类问题），物体位置即bounding box（回归问题）。

传统的目标检测一般使用滑动窗口的框架，主要包括三个步骤：

1.利用不同尺寸的滑动窗口框住图中的某一部分作为候选区域；
2.提取候选区域相关的视觉特征。比如人脸检测常用的Harr特征；行人检测和普通目标检测常用的HOG特征等；
3.利用分类器进行识别，比如常用的SVM模型。
基于深度学习的目标检测分为两派：

基于区域提名的，如R-CNN、SPP-net、Fast R-CNN、Faster R-CNN、R-FCN；
端到端（End-to-End），无需区域提名的，如YOLO、SSD。
      目前来说，基于区域提名的方法依然占据上风，但端到端的方法速度上优势明显，后续的发展拭目以待。
接下来是对相关研究的详细介绍。
1、首先介绍的是区域提名--选择性搜索，以及用深度学习做目标检测的早期工作--Overfeat。

     选择性搜索：不断迭代合并候选区域，已被弃用。

     OverFeat:  用CNN做分类、定位和检测的经典之作（马克一记）。


2、基于区域提名的方法：主要介绍R-CNN系列


     R-CNN:之前的工作都是用滑动窗口的方式，速度很慢，R-CNN采用的是selective search。

     它和OverFeat类似，但缺点是速度慢。

     SPP-net：针对剪裁技术可能出现的问题，SPP不管是对整副图像还是裁剪后的图像，都提取相同维度的特征，这样可以统一送至全连接层。

    FAST R-CNN:主要解决2000个候选框带来的重复计算问题。

    FASTER R-CNN：抛弃了selective search，引入了RPN网格。

    R-FCN：将最后的全连接层换为了卷积层。


3、端到端（end-to-end）:无需区域提名

    YOLO：将448*448的图像分成S*S的网络，简化目标检测流程；

    SSD:   YOLO的改进，分为两部分：图像分类的网络和多尺度特征映射网络。

YOLO v1

这是继RCNN，fast-RCNN和faster-RCNN之后，rbg（RossGirshick）针对DL目标检测速度问题提出的另外一种框架。YOLO V1其增强版本GPU中能跑45fps，简化版本155fps。

1. YOLO的核心思想

• YOLO的核心思想就是利用整张图作为网络的输入，直接在输出层回归bounding box的位置和bounding box所属的类别。
• faster RCNN中也直接用整张图作为输入，但是faster-RCNN整体还是采用了RCNN那种 proposal+classifier的思想，只不过是将提取proposal的步骤放在CNN中实现了,而YOLO则采用直接回归的思路。

2.YOLO的实现方法

• 将一幅图像分成SxS个网格(grid cell)，如果某个object的中心 落在这个网格中，则这个网格就负责预测这个object。

• 每个网格要预测B个bounding box，每个bounding box除了要回归自身的位置之外，还要附带预测一个confidence值。
  这个confidence代表了所预测的box中含有object的置信度和这个box预测的有多准两重信息，其值是这样计算的：
  
  其中如果有object落在一个grid cell里，第一项取1，否则取0。 第二项是预测的bounding box和实际的groundtruth之间的IoU值。
• 每个bounding box要预测(x, y, w, h)和confidence共5个值，每个网格还要预测一个类别信息，记为C类。则SxS个网格，每个网格要预测B个bounding box还要预测C个categories。输出就是S x S x (5*B+C)的一个tensor。
  注意：class信息是针对每个网格的，confidence信息是针对每个bounding box的。
• 举例说明: 在PASCAL VOC中，图像输入为448x448，取S=7，B=2，一共有20个类别(C=20)。则输出就是7x7x30的一个tensor。
  整个网络结构如下图所示：
  
• 在test的时候，每个网格预测的class信息和bounding box预测的confidence信息相乘，就得到每个bounding box的class-specific confidence scor
  等式左边第一项就是每个网格预测的类别信息，第二三项就是每个bounding box预测的confidence。这个乘积即encode了预测的box属于某一类的概率，也有该box准确度的信息。
• 得到每个box的class-specific confidence score以后，设置阈值，滤掉得分低的boxes，对保留的boxes进行NMS处理，就得到最终的检测结果。
• 注：

*由于输出层为全连接层，因此在检测时，YOLO训练模型只支持与训练图像相同的输入分辨率。

*虽然每个格子可以预测B个bounding box，但是最终只选择只选择IOU最高的bounding box作为物体检测输出，即每个格子最多只预测出一个物体。当物体占画面比例较小，如图像中包含畜群或鸟群时，每个格子包含多个物体，但却只能检测出其中一个。这是YOLO方法的一个缺陷。

3.YOLO的实现细节

• 每个grid有30维，这30维中，8维是回归box的坐标，2维是box的confidence，还有20维是类别。
  其中坐标的x,y用对应网格的offset归一化到0-1之间，w,h用图像的width和height归一化到0-1之间。
• 在实现中，最主要的就是怎么设计损失函数，让这个三个方面得到很好的平衡。作者简单粗暴的全部采用了sum-squared error loss来做这件事。
   
• 这种做法存在以下几个问题：
  第一，8维的localization error和20维的classification error同等重要显然是不合理的；
  第二，如果一个网格中没有object（一幅图中这种网格很多），那么就会将这些网格中的box的confidence push到0，相比于较少的有object的网格，这种做法是overpowering的，这会导致网络不稳定甚至发散。
  解决办法：
  • 更重视8维的坐标预测，给这些损失前面赋予更大的loss weight, 记为在pascal VOC训练中取5。
  • 对没有object的box的confidence loss，赋予小的loss weight，记为在pascal VOC训练中取0.5。
  • 有object的box的confidence loss和类别的loss的loss weight正常取1。
• 对不同大小的box预测中，相比于大box预测偏一点，小box预测偏一点肯定更不能被忍受的。而sum-square error loss中对同样的偏移loss是一样。
  为了缓和这个问题，作者用了一个比较取巧的办法，就是将box的width和height取平方根代替原本的height和width。这个参考下面的图很容易理解，小box的横轴值较小，发生偏移时，反应到y轴上相比大box要大。（也是个近似逼近方式）
  
• 一个网格预测多个box，希望的是每个box predictor专门负责预测某个object。具体做法就是看当前预测的box与ground truth box中哪个IoU大，就负责哪个。这种做法称作box predictor的specialization。
• 最后整个的损失函数如下所示：
  
  这个损失函数中：
  • 只有当某个网格中有object的时候才对classification error进行惩罚。
  • 只有当某个box predictor对某个ground truth box负责的时候，才会对box的coordinate error进行惩罚，而对哪个ground truth box负责就看其预测值和ground truth box的IoU是不是在那个cell的所有box中最大。
• 其他细节，例如使用激活函数使用leak RELU，模型用ImageNet预训练等等，在这里就不一一赘述了。
• 注：

*YOLO方法模型训练依赖于物体识别标注数据，因此，对于非常规的物体形状或比例，YOLO的检测效果并不理想。

*YOLO采用了多个下采样层，网络学到的物体特征并不精细，因此也会影响检测效果。

* YOLO loss函数中，大物体IOU误差和小物体IOU误差对网络训练中loss贡献值接近（虽然采用求平方根方式，但没有根本解决问题）。因此，对于小物体，小的IOU误差也会对网络优化过程造成很大的影响，从而降低了物体检测的定位准确性。

4.YOLO的缺点

• YOLO对相互靠的很近的物体，还有很小的群体 检测效果不好，这是因为一个网格中只预测了两个框，并且只属于一类。
• 同一类物体出现的新的不常见的长宽比和其他情况时，泛化能力偏弱。
• 由于损失函数的问题，定位误差是影响检测效果的主要原因。尤其是大小物体的处理上，还有待加强。

简单回顾YOLOv1的检测步骤：

(1) 给个一个输入图像，首先将图像划分成7 * 7的网格。

(2) 对于每个网格，每个网格预测2个bouding box（每个box包含5个预测量）以及20个类别概率，总共输出7×7×（2*5+20）=1470个tensor

(3) 根据上一步可以预测出7 * 7 * 2 = 98个目标窗口，然后根据阈值去除可能性比较低的目标窗口，再由NMS去除冗余窗口即可。

YOLOv1使用了end-to-end的回归方法，没有region proposal步骤，直接回归便完成了位置和类别的判定。种种原因使得YOLOv1在目标定位上不那么精准，直接导致YOLO的检测精度并不是很高。

YOLOV2

新的YOLO版本论文全名叫“YOLO9000: Better, Faster, Stronger”，主要有两个大方面的改进：

第一，作者使用了一系列的方法对原来的YOLO多目标检测框架进行了改进，在保持原有速度的优势之下，精度上得以提升。VOC 2007数据集测试，67FPS下mAP达到76.8%，40FPS下mAP达到78.6%，基本上可以与Faster R-CNN和SSD一战。

第二，作者提出了一种目标分类与检测的联合训练方法，通过这种方法，YOLO9000可以同时在COCO和ImageNet数据集中进行训练，训练后的模型可以实现多达9000种物体的实时检测。

YOLOv2精度的改进（Better）

YOLO一代有很多缺点，作者希望改进的方向是:改善recall，提升定位的准确度，同时保持分类的准确度。

batch Normalization:在卷基层后面增加了batch Normalization，去掉了dropout层，mAP提升2%。

High ResolutionClassifier:x训练网络的时候将网络从224*224变为448*448，当然后续为了保证特征图中只有基数个定位位置，从而保证只有一个中心细胞，网络最终设置为416*416。最终实现了4%的mAP提升。

Convoutional with AnchorBoxes:作者吸收了faster RCNN中RPN的思想，去掉了yolov1中的全连接层，加入了anchor boxes，这样做的目的就是得到更高的召回率，当然召回率高了，mAP就会相应的下降，这也是人之常情。最终，yolov1只有98个边界框，yolov2达到了1000多个。mAP由69.5下降到69.2，下降了0.3，召回率由81%提升到88%，提升7%。

Dimension Clusters:这里作者提出了kmeans聚类，这里的K作者取值为5，这样会在模型复杂度和召回率之间达到一个好的折中。并且使用聚类的中心代替Anchor，最后使用欧式距离进行边界框优先权的衡量，欧式距离公式如下所示，距离越小说明优先权越高。在k为5 的条件下，Avg IOU从60.9提升到了61.0。在k为9的的条件下Avg IOU提升为67.2

Direction locationprediction:

引入了anchor boxes就会产生模型不稳定的问题，该问题产生于边界框位置的预测。简单的解释，如果训练的图片中的物体一张是在左面，下一张又在右面，就会产生这样的波动，显然的这个过程是不受控制的，毕竟图片中的物体位置他在哪里就在哪里。这里作者，变换了个思路，把最终预测的相对于anchor的边界框的相关系数变为预测相对于grid cell（yolo v1的机制）的相关系数，使得输出的系数在0-1直接波动，如此就解决了波动的问题。最终，使用维度聚类和直接预测边界框中心比使用anchor boxes提升了5%的mAP。

首先,yolov2边框的表示方式通过框的中心坐标bx,by，和框的宽bw，高bh这4个变量来表示。实际预测的值为tx,ty,tw,th。

由tx,ty,tw,th得到bx,by,bw,bh的详细公式如上图，其中，

cx，cy为框的中心坐标所在的grid cell 距离左上角第一个grid cell的cell个数。

tx,ty为预测的边框的中心点坐标。

σ()函数为logistic函数，将坐标归一化到0-1之间。最终得到的bx,by为归一化后的相对于grid cell的值

tw,th为预测的边框的宽，高。

pw,ph为anchor的宽，高。实际在使用中，作者为了将bw,bh也归一化到0-1，实际程序中的 pw,ph为anchor的宽，高和featuremap的宽，高的比值。最终得到的bw,bh为归一化后相对于anchor的值

σ(t0)表示预测的边框的置信度，为预测的边框的概率和预测的边框与ground truth的IOU值的乘积。

Fine-Grained Features:有别于faster rcnn和SSD采用多尺度的特征图进行预测，yolov2提出了一个全新的思路，作者引入了passthrough layer，这个层的作用就是将上一层特征图的相邻像素都切除一部分组成了另外一个通道。例如，将26*26*512的特征图变为13*13*2048的特征图（这里具体的实现过程需要看作者的源码，但是，为了解释这个变化过程，可以做这样的解释，就是将一个26*26的图的像素放到4个13*13的图中，水平每2个像素取1个，垂直也是每2个像素取一个，一共就可以得到2*2=4个，512*4=2048），使得特征图的数目提高了4倍，同时，相比于26*26的特征图，13*13的特征图更有利用小目标物的检测，

该改进使得mAP提升1%。

Multi-Scale Training:这里作者提出的训练方法也很独特，在训练过程中就每隔10batches，随机的选择另外一种尺度进行训练，这里，作者给出的训练尺度为{320,352，……，608}，这个训练的方法，使得最终得到的模型可以对不同分辨率的图像都能达到好的检测效果。

Faster：

这里，vgg16虽然精度足够好，但是模型比较大，网络传输起来比较费时间，因此，作者提出了一个自己的模型，Darknet-19。而darknetv2也正式已Darknet-19作为pretrained model训练起来的。

• Draknet19

YOLO v2基于一个新的分类model，有点类似与VGG。YOLO v2使用3*3filter，每次Pooling之后都增加一倍Channels的数量。YOLO v2使用全局平均Pooling，使用Batch Normilazation来让训练更稳定，加速收敛，使model规范化。
最终的model–Darknet19，有19个卷积层和5个maxpooling层，处理一张图片只需要5.58 billion次运算，在ImageNet上达到72.9%top-1精确度，91.2%top-5精确度。

• Training for classification

网络训练在 ImageNet 1000类分类数据集，训练了160epochs，使用随机梯度下降，初始学习率为0.1， polynomial
rate decay with a power of 4, weight decay of 0.0005 and momentum of 0.9 。训练期间使用标准的数据扩大方法：随机裁剪、旋转、变换颜色（hue）、变换饱和度（saturation）， 变换曝光度（exposure shifts）。
在训练时，把整个网络在更大的448*448分辨率上Fine Turnning 10个 epoches，初始学习率设置为0.001，这种网络达到达到76.5%top-1精确度，93.3%top-5精确度。

• Training for detection

网络去掉了最后一个卷积层，而加上了三个3*3卷积层，每个卷积层有1024个Filters，每个卷积层紧接着一个1*1卷积层， with
the number of outputs we need for detection。
对于VOC数据，网络预测出每个网格单元预测五个Bounding Boxes，每个Bounding Boxes预测5个坐标和20类，所以一共125个Filters，增加了Passthough层来获取前面层的细粒度信息，网络训练了160epoches，初始学习率0.001，dividing it by 10 at 60 and 90 epochs，a weight decay of 0.0005 and momentum of 0.9，数据扩大方法相同，对COCO与VOC数据集的训练对策相同。

Stronger:

这里作者的想法也很新颖，解决了2个不同数据集相互排斥(mutualy exclusive)的问题。作者提出了WordTree，使用该树形结构成功的解决了不同数据集中的排斥问题。使用该树形结构进行分层的预测分类，在某个阈值处结束或者最终达到叶子节点处结束。下面这副图将有助于WordTree这个概念的理解。

在训练的过程中，当网络遇到一个来自检测数据集的图片与标记信息，那么就把这些数据用完整的YOLO v2 loss功能反向传播这个图片。当网络遇到一个来自分类数据集的图片和分类标记信息，只用整个结构中分类部分的loss功能反向传播这个图片。
但是检测数据集只有粗粒度的标记信息，像“猫“、“ 狗”之类，而分类数据集的标签信息则更细粒度，更丰富。比如狗这一类就包括”哈士奇“”牛头梗“”金毛狗“等等。所以如果想同时在监测数据集与分类数据集上进行训练，那么就要用一种一致性的方法融合这些标签信息。
再者，用于分类的方法，大多是用softmax layer方法，softmax意味着分类的类别之间要互相独立的。而盲目地混合数据集训练，就会出现比如：检测数据集的分类信息中”狗“这一分类，在分类数据集合中，就会有的不同种类的狗”哈士奇“”牛头梗“”金毛“这些分类，这两种数据集之间的分类信息不相互独立。所以使用一种多标签的model来混合数据集，假设一个图片可以有多个分类信息，并假定分类信息必须是相互独立的规则可以被忽略。

• Hierarchical classification

WordNet的结构是一个直接图表（directed graph），而不是树型结构。因为语言是复杂的，狗这个词既属于‘犬科’又属于‘家畜’两类，而‘犬科’和‘家畜’两类在wordnet中则是同义词，所以不能用树形结构。
作者希望根据ImageNet中包含的概念来建立一个分层树，为了建立这个分层树，首先检查ImagenNet中出现的名词，再在WordNet中找到这些名词，再找到这些名词到达他们根节点的路径（在这里设为所有的根节点为实体对象（physical object））。在WordNet中，大多数同义词只有一个路径，所以首先把这条路径中的词全部都加到分层树中。接着迭代地检查剩下的名词，并尽可能少的把他们添加到分层树上，添加的原则是取最短路径加入到树中。
为了计算某一结点的绝对概率，只需要对这一结点到根节点的整条路径的所有概率进行相乘。所以比如你想知道一个图片是否是Norfolk terrier的概率，则进行如下计算：

为了验证这一个方法，在WordTree上训练Darknet19的model，使用1000类的ImageNet进行训练，为了建立WordtTree 1K，把所有中间词汇加入到WordTree上，把标签空间从1000扩大到了1369。在训练过程中，如果有一个图片的标签是”Norfolk terrier“，那么这个图片还会获得”狗“（dog）以及“哺乳动物”（mammal）等标签。总之现在一张图片是多标记的，标记之间不需要相互独立。
如Figure5所示，之前的ImageNet分类是使用一个大softmax进行分类。而现在，WordTree只需要对同一概念下的同义词进行softmax分类。
使用相同的训练参数，这种分层结构的Darknet19达到71.9%top-1精度和90.4%top-5精确度，精度只有微小的下降。
这种方法的好处：在对未知或者新的物体进行分类时，性能降低的很优雅（gracefully）。比如看到一个狗的照片，但不知道是哪种种类的狗，那么就高置信度（confidence）预测是”狗“，而其他狗的种类的同义词如”哈士奇“”牛头梗“”金毛“等这些则低置信度。

• Datasets combination with wordtree

用WordTree 把数据集合中的类别映射到分层树中的同义词上，例如上图Figure 6，WordTree混合ImageNet与COCO。

• Joint classification and detection

作者的目的是：训练一个Extremely Large Scale检测器。所以训练的时候使用WordTree混合了COCO检测数据集与ImageNet中的Top9000类，混合后的数据集对应的WordTree有9418个类。另一方面，由于ImageNet数据集太大了，作者为了平衡一下两个数据集之间的数据量，通过过采样（oversampling）COCO数据集中的数据，使COCO数据集与ImageNet数据集之间的数据量比例达到1：4。
YOLO9000的训练基于YOLO v2的构架，但是使用3priors而不是5来限制输出的大小。当网络遇到检测数据集中的图片时则正常地反方向传播，当遇到分类数据集图片的时候，只使用分类的loss功能进行反向传播。同时作者假设IOU最少为 .3。最后根据这些假设进行反向传播。

使用联合训练法，YOLO9000使用COCO检测数据集学习检测图片中的物体的位置，使用ImageNet分类数据集学习如何从大量的类别中进行分类。
为了评估这一方法，使用ImageNet Detection Task对训练结果进行评估。
评估结果：
YOLO9000取得19.7mAP。
在未学习过的156个分类数据上进行测试，mAP达到16.0。
YOLO9000的mAP比DPM高，而且YOLO有更多先进的特征，YOLO9000是用部分监督的方式在不同训练集上进行训练，同时还能检测9000个物体类别，并保证实时运行。

虽然YOLO9000对动物的识别性能很好，但是对类别为”sungalsses“或者”swimming trunks“这些衣服或者装备的类别，它的识别性能不是很好，见table 7。这跟数据集的数据组成有很大关系。

总结

YOLO v2 代表着目前最先进物体检测的水平，在多种监测数据集中都要快过其他检测系统，并可以在速度与精确度上进行权衡。

YOLO 9000 的网络结构允许实时地检测超过9000种物体分类，这归功于它能同时优化检测与分类功能。使用WordTree来混合来自不同的资源的训练数据，并使用联合优化技术同时在ImageNet和COCO数据集上进行训练，YOLO9000进一步缩小了监测数据集与识别数据集之间的大小代沟。

文章还提出了WordTree，数据集混合训练，多尺寸训练等全新的训练方法。

YOLO v3

YOLOv3在Pascal Titan X上处理608x608图像速度达到20FPS，在 COCO test-dev 上 [email protected] 达到 57.9%，与RetinaNet（FocalLoss论文所提出的单阶段网络）的结果相近，并且速度快4倍.

YOLO v3的模型比之前的模型复杂了不少，可以通过改变模型结构的大小来权衡速度与精度。

速度对比如下：

‘

  YOLOv3 在实现相同准确度下要显著地比其它检测方法快。时间都是在采用 M40 或 Titan X 等相同 GPU 下测量的。

简而言之，YOLOv3 的先验检测（Prior detection）系统将分类器或定位器重新用于执行检测任务。他们将模型应用于图像的多个位置和尺度。而那些评分较高的区域就可以视为检测结果。此外，相对于其它目标检测方法，我们使用了完全不同的方法。我们将一个单神经网络应用于整张图像，该网络将图像划分为不同的区域，因而预测每一块区域的边界框和概率，这些边界框会通过预测的概率加权。我们的模型相比于基于分类器的系统有一些优势。它在测试时会查看整个图像，所以它的预测利用了图像中的全局信息。与需要数千张单一目标图像的 R-CNN 不同，它通过单一网络评估进行预测。这令 YOLOv3 非常快，一般它比 R-CNN 快 1000 倍、比 Fast R-CNN 快 100 倍。

改进之处：

•     1.多尺度预测 （类FPN）
•     2.更好的基础分类网络（类ResNet）和分类器 darknet-53,见下图。

    3.分类器-类别预测：
        YOLOv3不使用Softmax对每个框进行分类，主要考虑因素有两个：

1.             a.Softmax使得每个框分配一个类别（score最大的一个），而对于Open Images这种数据集，目标可能有重叠的类别标签，因此Softmax不适用于多标签分类。
2.             b.Softmax可被独立的多个logistic分类器替代，且准确率不会下降。
           分类损失采用binary cross-entropy loss.

多尺度预测
    每种尺度预测3个box, anchor的设计方式仍然使用聚类,得到9个聚类中心,将其按照大小均分给3中尺度.

•         尺度1: 在基础网络之后添加一些卷积层再输出box信息.
•         尺度2: 从尺度1中的倒数第二层的卷积层上采样(x2)再与最后一个16x16大小的特征图相加,再次通过多个卷积后输出box信息.相比尺度1变大两倍.
•         尺度3: 与尺度2类似,使用了32x32大小的特征图.