【目标检测】SSD：

数据增广：

目标检测:SSD的数据增强算法

代码地址

https://github.com/weiliu89/caffe/tree/ssd

论文地址

https://arxiv.org/abs/1512.02325

数据增强：

SSD数据增强有两种新方法：（1）expand ，左图（2）batch_sampler，右图

expand_param {
      prob: 0.5 //expand发生的概率
      max_expand_ratio: 4 //expand的扩大倍数
    }

• 1
• 2
• 3
• 4

expand是指对图像进行缩小，图像的其余区域补0，下图是expand的方法。个人认为这样做的目的是在数据处理阶段增加多尺度的信息。大object通过expand方法的处理可以变成小尺度的物体训练。提高ssd对尺度的泛化性。

annotated_data_param {//以下有7个batch_sampler
    batch_sampler {
      max_sample: 1
      max_trials: 1
    }
    batch_sampler {
      sampler {
        min_scale: 0.3
        max_scale: 1
        min_aspect_ratio: 0.5
        max_aspect_ratio: 2
      }
      sample_constraint {
        min_jaccard_overlap: 0.1
      }
      max_sample: 1
      max_trials: 50
    }
    batch_sampler {
      sampler {
        min_scale: 0.3
        max_scale: 1
        min_aspect_ratio: 0.5
        max_aspect_ratio: 2
      }
      sample_constraint {
        min_jaccard_overlap: 0.3
      }
      max_sample: 1
      max_trials: 50
    }
    batch_sampler {
      sampler {
        min_scale: 0.3
        max_scale: 1
        min_aspect_ratio: 0.5
        max_aspect_ratio: 2
      }
      sample_constraint {
        min_jaccard_overlap: 0.5
      }
      max_sample: 1
      max_trials: 50
    }
    batch_sampler {
      sampler {
        min_scale: 0.3
        max_scale: 1
        min_aspect_ratio: 0.5
        max_aspect_ratio: 2
      }
      sample_constraint {
        min_jaccard_overlap: 0.7
      }
      max_sample: 1
      max_trials: 50
    }
    batch_sampler {
      sampler {
        min_scale: 0.3
        max_scale: 1
        min_aspect_ratio: 0.5
        max_aspect_ratio: 2
      }
      sample_constraint {
        min_jaccard_overlap: 0.9
      }
      max_sample: 1
      max_trials: 50
    }
    batch_sampler {
      sampler {
        min_scale: 0.3
        max_scale: 1
        min_aspect_ratio: 0.5
        max_aspect_ratio: 2
      }
      sample_constraint {
        max_jaccard_overlap: 1
      }
      max_sample: 1
      max_trials: 50
    }

batch_sampler是对图像选取一个满足限制条件的区域（注意这个区域是随机抓取的）。限制条件就是抓取的patch和GT（Ground Truth）的IOU的值。

步骤是：先在区间[min_scale,max_sacle]内随机生成一个值，这个值作为patch的高Height，然后在[min_aspect_ratio,max_aspect_ratio]范围内生成ratio，从而得到patch的Width。到此为止patch的宽和高随机得到，然后在图像中进行一次patch，要求满足与GT的最小IOU是0.9，也就是IOU>=0.9。如果随机patch满足这个条件，那么张图会被resize到300300（**在SSD300300中**）送进网络训练。如下图。

    batch_sampler {
      sampler {
        min_scale: 0.3
        max_scale: 1
        min_aspect_ratio: 0.5
        max_aspect_ratio: 2
      }
      sample_constraint {
        min_jaccard_overlap: 0.9
      }
      max_sample: 1
      max_trials: 50
    }

SSD数据增广中的图像变换与裁剪

SSD在数据增广部分做了很多工作，处理方法集中在load_batch函数中，首先是对每一帧图像，即每个datum做DistortImage处理，DistortImage包括亮度、饱和度，色调，颜色灰度扭曲等变换，再进行ExpandImage处理

>>>：现在的方法基本上就是靠大量训练数据（&negative sampling >>> 题外话：负采样效果好，有没有理论上的一些分析，比如稀疏、低维流形啥的），然后“分类” ；

而人类识别感觉是提取到了这类物体的 backbone/sketch，后续再加上各种颜色上的交换等，是顺理成章的 —— 是否能搞一种 attention 机制；或者是 orthogonal 叠加的机制（ 形状骨架 + 换肤主题，然后再叠加）

另外总觉得 2-D 目标检测是伪命题——能否将calibration、透视变换、parts 组合成 object ... 这些结构性的机制引入进来？

seems like a fertile field

可能标注数据集也需要修正； 

在DistortImage函数中，首先用OpenCV的 cv_img = DecodeDatumToCVMat(datum, param_.force_color())函数将图像从Datum数据中解码出来，数据的变形是针对图片来做的，在ApplyDistort(const cv::Mat& in_img, const DistortionParameter& param)函数中，输入一个Mat格式的图片，输出一个经过DistortionParameter参数所变换后的图像，其中包括随机亮度失真变换，随机对比度失真变换，做随机饱和度失真变换，随机色调失真变换和随机图像通道变换，这里是一种排列组合的方法，变换的顺序不同，得到的图片结果也不同，根据随机数是否大于0.5来确定对比度和色调失真变换的顺序。代码如下：

返回变换后的图片，再将其编码成Datum的格式，编码函数EncodeCVMatToDatum(const cv::Mat& cv_img, const string& encoding, Datum* datum)，其中用到了一个opencv图像编码的接口cv::imencode("."+encoding, cv_img, buf);再把数据写入datum中。代码如下：

接着是ExpandImage(distort_datum, expand_datum)的操作，这个操作是按照百分之五十的概率发生的。ExpandImage可以理解为裁剪操作，在SSD中作者也提到裁剪相当与zoom in放大效果，可以使网络对尺度更加不敏感，因此可以识别小的物体。通过将原图缩小放到一个画布上再去裁剪达到缩小的效果。在原文中的Fig.6提到了在数据增强之后SSD网络确实对小物体识别能力有很大提升。裁剪后的图像至少一个 groundtruth box 的中心(centroid) 位于该图像块中.这样就可以避免不包含明显的前景目标的图像块不用于网络训练(只有包含明显的前景目标的图像块采用于网络训练.)同时，保证只有部分前景目标可见的图片用于网络训练.例如，下面图像中，Groundtruth box 表示为红色，裁剪的图像块表示为绿色. 由于是随机裁剪（概率百分之五十），因此有些图像是包含扩展的画布，有些则不包含.

在代码中实现ExpandImage的方法是，先按（１：max_expand_ratio）随机产生一个比例系数expand_ratio，创造一个expand_ratio*原图大小的０填充图，再按照代码里的方式确定一个顶点，用于将原图粘贴到所创造的“画布”中，并且确定好需要这张图需要裁剪的区域expand_bbox（这个区域我不太懂），然后用平均值进行画布填充，得到一张较大的图，用于后期的裁剪，这样做的原因，上文提到了（参考别人说的）

接着就是把填充的图片编码成expand_datum，然后进入TransformAnnotation函数，在上面的ExpandImage中，不存在任何对原数据中的AnnotationGroup的处理，即这里所生成的expand_datum仅仅是图片的裁剪的datum格式，expand_datum中的Annotation并没有做任何赋值或者更新，这一部分工作在TransformAnnotation函数中进行，主要是将原图的AnnotationGroup中的NormalizedBBox，通过映射变换后，复制到expand_datum的annotation中，注意这里所取的原图NormalizedBBox有条件，得满足这个框的中心点在裁剪图之中，其他在裁剪框之外的NormalizedBBox就直接舍弃。代码如下：

 这里就解读到ExpandImage函数，下一篇将解读Samples这块儿的操作。

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