机器视觉：目标检测

计算机视觉的三大基石： 识别，检测，分割。

• 识别，是告诉你一张图像里有什么；
• 检测，不光告诉你图像里有什么，还要告诉你目标所在的位置；
• 分割，就更进一步，告诉你图像里有什么，目标所在的位置，还要告诉你目标在图像里是个什么形状。

上面这张图，形象的描述了CV中的几个基础问题， 从识别，到检测，到分割，正如我们所看到的，从图像全局层面，到图像的局部，再到图像的像素层面，一层一层的递进。

识别，是研究的最多，也相对最成熟的一个领域，从物体识别，人脸识别到细粒度识别。从传统的特征提取比如 LBP, HOG, SIFT 以及 BoW，multi-scale，高斯金字塔，到如今的 CNN，数据规模也越来越大； 从开始的成百上千，到如今的几十万，几百万的数据规模，曾经被认为高不可攀的 ImageNet，如今也渐渐的成为过去， 当人们渐渐发现，数据堆砌到一定程度，似乎也不会换来性能的明显提升时，所有人也陷入沉思，可能数据的 “质量”，比数据的 “数量” 更加重要。对于全图层面的识别，背景的干扰很大，其实，人类视觉非常厉害的一点就是选择性 “聚焦”，也就是说，可以自动聚焦到自己所关注的目标上面，并且排除其他无关背景的干扰。

所以，简单的单一主体明确的图像识别，可能不是什么问题了，而真实的世界里，场景总是很复杂的，越来越多的人将目光聚焦到了检测，分割上面。

检测，是介于全局与像素之间的一个层面，从局部考察图像的特征。在 CNN 流行起来之前，最常用的检测就是人脸检测了，通过滑动窗口，提取不同 scale 的特征，利用 Ada-boost 进行分类。

目标检测的概念

目标检测，目前来说，有两种思路，一种是基于候选区域的，比较有代表性的就是 R-CNN 系列； 另外一种，就是利用滑动窗系列的，比如 SSD, 以及 YoLo 系列都是属于滑动窗系列。

• 基于候选区域的检测方法
  这种方法，就是利用分割的方法，先提炼出某些候选区域，然后在这些候选区域上进行识别，回归，找出含有目标物的区域，再利用一些合并原则，将一些区域合并，这种方法的优点是准确度比较高，缺点是慢，因为这是一种 two-stage 的方式，也就是说要分两步才能实现。这类算法的代表是 R-CNN, Fast-RCNN 以及 Faster-RCNN 系列。

• 基于滑动窗的检测方法
  这种方式，就是把图像分成很多规则的窗口，然后一个窗口一个窗口进行判断，考虑到多尺度的问题，所以也会有多尺度的窗口，然后再进行分类。这种方式在 深度 CNN 时代，似乎有着天然的优势，因为我们知道，CNN 的 feature map 上的点，在原始的输入图像上，都会有对应的 receptive field，这些 receptive field 就类似在图像上画出的窗口，不同的卷积层，对应的 receptive field 的大小也不一样，所以 SSD 利用这个性质，可以直接将多尺度的目标检测，在一个 CNN 网络中实现，不过，这种方式的一个缺点是，准确率没有基于候选区域的方式高，因为一张图像，一般来说，目标区域占比较少，而背景区域一般占比较大，所以，这也会造成图像中的正样本会比负样本少很多，训练的时候，模型可能会偏向负样本，所以滑动窗口的方式，训练的时候，正负样本的比例要保证，不能负样本过多。这类算法的代表是 SSD 以及 YOLO 系列。

目标检测中的多尺度问题

我们都知道，图像中的目标，一般来说都是多尺度的，有的目标大，有的目标小，为了解决图像检测中的多尺度问题，我们可以从两个角度考虑：

• 一个是改变输入图像的尺度，这是我们容易想到的一种方法，通过改变输入图像的尺度，进而改变了目标的尺度，这个在目前的图像增广中，是比较常用的一种策略，我们可以改变输入图像的尺度，让网络见识到不同大小的图像。
• 另外一种，就是改变滑动窗口的大小，这就像用网捕鱼一样，不同的网眼，可以捕获不同大小的鱼，在目标检测中，我们可以通过改变滑动窗口的大小，来做多尺度的目标检测，这个策略在目前的目标检测网络中非常流行，比如 SSD, YOLO 和 FPN 等，他们巧妙的利用 CNN 中不同层的 feature map 其实就对应了原始图像中不同大小的滑动窗这个特性，构建了多尺度的目标检测的网络结构。

目标检测中的样本不平衡问题

一般训练模型的时候，我们都希望样本能够均衡，如果样本不均衡，会让模型偏向于样本多的类别，目标检测，是一个典型的样本分布不均衡的问题，因为对于一张图像来说，一般都是背景区域的占比面积远远大于目标区域的占比面积，这样就会导致每次训练输入网络的负样本会多于正样本，这不利于网络的训练，为了保证样本的一定均衡，在目标检测的训练中，一般都会用一定的样本选择策略，一般是保证正反样本的比例大致为 1:3，为啥是这个比例，可能也是实验验证出来的吧，没有什么道理可言。
另外，为了提升模型的泛化能力，一般都会做一些困难样本的挖掘，让模型对困难样本拟合的更好，一般训练集中，肯定是容易拟合的样本占大多数，而困难样本一般占比较少，这也是一个不均衡的问题，也就是所谓的难易样本不均衡问题，为了解决这个问题，一般是针对性的对困难样本进行挑选，或者修改 loss 的设计，不管是困难样本挖掘还是修改 loss，对困难样本的 loss 赋予更高的权重，本质上来说，都是为了提高困难样本在整个数据集上的比重，这里比较简单优雅的就是 focal loss 这种方法，focal loss 是在常规的二分类 loss 上修改而来，常规的二分类loss 就是一个二分类交叉熵：

$L = y\log p + (1-y) \log (1-p)$

这种 loss 对所有样本是一视同仁的，不会区分样本的难易程度，这种 loss 在样本均衡的时候，还是可以的，如果样本不均衡，loss 就会好逸恶劳，趋向于拟合大量的容易样本，忽视掉少量的困难样本，为了让模型重视困难样本的拟合，就要加大对困难样本的权重，所有 focal loss 就是从这点出发，设计了如下的 loss 函数：

$FL(p_t) = -\alpha_{t}(1-p_{t})^{\gamma} \log (p_{t})$

这个 loss 既考虑了样本整体的分布（通过 $\alpha_{t}$ 体现），也考虑单个样本的训练难易（通过 $\gamma$ 的调节 ）

目标检测中的 loss 设计

目标检测中的 loss 设计，也是非常重要的，不同的网络结构，也会有不同的 loss 设计，不过总的来说，目标检测中的 loss 一般包含两个部分，一部分是分类 loss， 一部分是回归 loss，分类 loss 就是用来确定当前的滑动窗里具体是什么类别，而回归 loss 用来评判当前的滑动窗对目标框的回归精度，所以检测算法中一般会有两个loss

$L = L_{clf} + L_{reg}$

我们以 YOLOv3 的框架为例，来看检测中的 loss 设计，YOLOv3 应该是目前很受工业界青睐的一个检测框架，很好的平衡了速度与精度，并且结构相对来说简单清晰，这个框架也借用了多尺度检测的概念，每个 box 的输出是 4 + 1 + C 的维度，4 表示 box 的参数，中心位置 $(c_x, c_y)$ 以及 box 的宽，高 $w, h$，1 是一个二分类，表示这个 box 是否含有物体目标，而 C 表示类别数量，为了能够更好的拟合，YOLO v3 将预测值做了一些处理：

$b_x = \sigma(t_x) + c_x \\ b_y = \sigma(t_y) + c_y \\ b_w = p_w e^{t_w} \\ b_h = p_h e^{t_h}$

其中 $t_x , t_y$ 表示预测 box 的中心坐标， $t_w, t_h$ 表示预测 box k宽，高，这里都经过了一些处理，以便更好地收敛。所以 YOLO v3 一共有四部分的 loss，

$L = L_{xy} + L_{wh} + L_{obj} + L_{clf}$

前面两个是回归 loss，用来预测框的位置以及大小，第三个是二分类 loss，表示该框是否含有目标物体，最后一个是分类 loss，这里没有用 softmax，而是用二分类交叉熵来实现的多分类，这个 loss 对于多目标的识别效果更好

目标检测中的 NMS 处理

我们知道，目标检测，一般都会输出很多的预测框，很多框是高度重合的，这个时候，就需要对这些框进行处理，目标检测中一般会用到一种 Non-maximum suppression （非极大值抑制）的方法，非极大值抑制的方法，可以保证从多个预测框中，最后挑选出置信度最高的一个框。NMS 的算法原理也比较简单，就是利用集合中的交与并的概念，计算两个框的 IOU, 要计算 box a, b 的 IOU 可以用如下的表达式：

$IOU = \frac{a \cap b}{a \cup b }$

很显然，如果 a,b 完全重合，则 IOU 为 1，如果 a, b 没有任何交集，则 IOU 为 0，用 IOU 可以衡量两个 box 的重合度，对于重合度高的 box，是可以删掉冗余的，这就是 NMS 的原理。

NMS 实现的时候，一般是先选择一个置信度最高的 box，然后用剩余的 box 与该 box 计算 IOU，对于 IOU 高于某个阈值的，就直接删除，剩下的就是与该 box 重合度较低的，然后从剩下的 box 里，再选择一个置信度最高的，重复上面的步骤，这样直到所有的 box 都被遍历完，对于多个类别的情况，可以单独对每个类做 NMS，经过 NMS 的处理，一般一个区域就会只剩下一个 box 框。