1 背景介紹

目標(biāo)檢測(cè)，object detection，就是在給定的圖片中精確找到物體所在位置，并標(biāo)注出物體的類(lèi)別。

目標(biāo)檢測(cè)要解決的問(wèn)題有兩個(gè)：物體在哪里，物體是什么的整個(gè)流程問(wèn)題。

目標(biāo)檢測(cè)問(wèn)題的難點(diǎn)：物體的尺寸變化范圍很大；擺放物體的角度，姿態(tài)不定；而且可以出現(xiàn)在圖片的任何地方；物體還可以是多個(gè)類(lèi)別。

目前主要算法分兩類(lèi)：1) 候選區(qū)域/框 + 深度學(xué)習(xí)分類(lèi)；2) 基于深度學(xué)習(xí)的回歸方法

目標(biāo)檢測(cè)中有很大一部分工作是做圖像分類(lèi)。對(duì)于圖像分類(lèi)，不得不提的是2012年ImageNet大規(guī)模視覺(jué)識(shí)別挑戰(zhàn)賽（ILSVRC）上，機(jī)器學(xué)習(xí)泰斗 Geoffrey Hinton 教授帶領(lǐng)學(xué)生Krizhevsky使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將ILSVRC分類(lèi)任務(wù)的Top-5 error降低到了15.3%，而使用傳統(tǒng)方法的第二名 top-5 error高達(dá) 26.2%。

此后，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CNN占據(jù)了圖像分類(lèi)任務(wù)的絕對(duì)統(tǒng)治地位。

2 候選區(qū)域+深度學(xué)習(xí)

通過(guò)提取候選區(qū)域，并對(duì)相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行以深度學(xué)習(xí)方法為主的分類(lèi)的方案，如：

2.1 R-CNN（Selective Search + CNN + SVM）

先找出圖中目標(biāo)可能出現(xiàn)的位置，即候選區(qū)域（Region Proposal）。

利用圖像中的紋理、邊緣、顏色等信息，可以保證在選取較少窗口(幾千甚至幾百）的情況下保持較高的召回率（Recall）。

有了候選區(qū)域，剩下的工作實(shí)際就是對(duì)候選區(qū)域進(jìn)行圖像分類(lèi)的工作（特征提取+分類(lèi)）。

2014年，RBG（Ross B. Girshick）使用 Region Proposal + CNN代替?zhèn)鹘y(tǒng)目標(biāo)檢測(cè)使用的滑動(dòng)窗口+手工設(shè)計(jì)特征，設(shè)計(jì)R-CNN框架，使得目標(biāo)檢測(cè)取得巨大突破，并開(kāi)啟了基于深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測(cè)的熱潮。

R-CNN的簡(jiǎn)要步驟如下

輸入測(cè)試圖像

利用選擇性搜索Selective Search算法在圖像中從下到上提取2000個(gè)左右的可能包含物體的候選區(qū)域Region Proposal

因?yàn)槿〕龅膮^(qū)域大小各自不同，所以需要將每個(gè)Region Proposal縮放（warp）成統(tǒng)一的227x227的大小并輸入到CNN，將CNN的fc7層的輸出作為特征

將每個(gè)Region Proposal提取到的CNN特征輸入到SVM進(jìn)行分類(lèi)

R-CNN 存在一個(gè)較大的問(wèn)題：R-CNN雖然不再像傳統(tǒng)方法那樣窮舉，但R-CNN流程的第一步中對(duì)原始圖片通過(guò)Selective Search提取的候選框region proposal多達(dá)2000個(gè)左右，而這2000個(gè)候選框每個(gè)框都需要進(jìn)行CNN提特征+SVM分類(lèi)，計(jì)算量很大，導(dǎo)致R-CNN檢測(cè)速度很慢，一張圖都需要47s。

2.2 SPP-net（ROI Pooling）

SPP：Spatial Pyramid Pooling（空間金字塔池化）

SPP-Net是出自2015年發(fā)表在IEEE上的論文-《Spatial Pyramid Pooling in Deep ConvolutionalNetworks for Visual Recognition》

2.3 Fast R-CNN（Selective Search + CNN + ROI）

Fast R-CNN就是在R-CNN的基礎(chǔ)上采納了SPP Net方法，對(duì)R-CNN作了改進(jìn)，使得性能進(jìn)一步提高。

與R-CNN框架圖對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)主要有兩處不同：一是最后一個(gè)卷積層后加了一個(gè)ROI pooling layer，二是損失函數(shù)使用了多任務(wù)損失函數(shù)(multi-task loss)，將邊框回歸Bounding Box Regression 直接加入到CNN網(wǎng)絡(luò)中訓(xùn)練。

Fast-RCNN 很重要的一個(gè)貢獻(xiàn)是成功的讓人們看到了 Region Proposal + CNN 這一框架實(shí)時(shí)檢測(cè)的希望，原來(lái)多類(lèi)檢測(cè)真的可以在保證準(zhǔn)確率的同時(shí)提升處理速度，也為后來(lái)的Faster R-CNN做下了鋪墊。

2.4 Faster R-CNN（RPN + CNN + ROI）

https://arxiv.org/pdf/1506.01497.pdf

Fast R-CNN存在性能瓶頸：選擇性搜索，找出所有的候選框，也非常耗時(shí)。能不能找出一個(gè)更加高效的方法來(lái)求出這些候選框呢？

解決方法：加入一個(gè)提取邊緣的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，也就說(shuō)找到候選框的工作也交給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)做。

以上四種算法都基于region proposal的R-CNN系列，是目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域主要的一個(gè)分支。

3 基于深度學(xué)習(xí)的回歸方法

3.1 YOLO1

YOLO，全稱(chēng)：You Only Look Once

以上介紹的 R-CNN 系列很難滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求。YOLO一類(lèi)的方法慢慢顯現(xiàn)出其重要性，這類(lèi)方法使用回歸的思想，利用整張圖作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，直接在圖像的多個(gè)位置上回歸出這個(gè)位置的目標(biāo)邊框，以及目標(biāo)所屬的類(lèi)別。

YOLO將目標(biāo)檢測(cè)任務(wù)轉(zhuǎn)換成一個(gè)回歸問(wèn)題，大大加快了檢測(cè)的速度，使得 YOLO 可以每秒處理45 張圖像。而且由于每個(gè)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)目標(biāo)窗口時(shí)使用的是全圖信息，使得false positive比例大幅降低（充分的上下文信息）。

但是YOLO也存在問(wèn)題：沒(méi)有了Region Proposal機(jī)制，只使用7*7的網(wǎng)格回歸會(huì)使得目標(biāo)不能非常精準(zhǔn)的定位，這也導(dǎo)致了YOLO的檢測(cè)精度并不是很高。

3.2 YOLO2

https://arxiv.org/pdf/1612.08242.pdf

YOLOv2 相對(duì)v1版本，在繼續(xù)保持處理速度的基礎(chǔ)上，從預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確（Better），速度更快（Faster），識(shí)別對(duì)象更多（Stronger）這三個(gè)方面進(jìn)行了改進(jìn)。其中識(shí)別更多對(duì)象也就是擴(kuò)展到能夠檢測(cè)9000種不同對(duì)象，稱(chēng)之為YOLO9000。

YOLO v2 代表著比較先進(jìn)的物體檢測(cè)水平，在多種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集中都要快過(guò)其他檢測(cè)系統(tǒng)，并可以在速度與精確度上進(jìn)行權(quán)衡。

3.3 YOLO3

https://pjreddie.com/media/files/papers/YOLOv3.pdf

YOLO v3的模型比之前的模型復(fù)雜了不少，可以通過(guò)改變模型結(jié)構(gòu)的大小來(lái)權(quán)衡速度與精度。

速度上，YOLOv3 在實(shí)現(xiàn)相同準(zhǔn)確度下要顯著地比其它檢測(cè)方法快。

改進(jìn)之處：

1).多尺度預(yù)測(cè) （類(lèi)FPN）

2).更好的基礎(chǔ)分類(lèi)網(wǎng)絡(luò)（類(lèi)ResNet）和分類(lèi)器 darknet-53,見(jiàn)下圖。

3). 分類(lèi)器-類(lèi)別預(yù)測(cè)：

YOLOv3不使用Softmax對(duì)每個(gè)框進(jìn)行分類(lèi)，主要考慮因素有兩個(gè)：

a. Softmax使得每個(gè)框分配一個(gè)類(lèi)別（score最大的一個(gè)），而對(duì)于Open Images這種數(shù)據(jù)集，目標(biāo)可能有重疊的類(lèi)別標(biāo)簽，因此Softmax不適用于多標(biāo)簽分類(lèi)。

b. Softmax可被獨(dú)立的多個(gè)logistic分類(lèi)器替代，且準(zhǔn)確率不會(huì)下降。

分類(lèi)損失采用 binary cross-entropy loss

多尺度預(yù)測(cè)

每種尺度預(yù)測(cè)3個(gè)box, anchor的設(shè)計(jì)方式仍然使用聚類(lèi),得到9個(gè)聚類(lèi)中心,將其按照大小均分給3中尺度.

尺度1: 在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)之后添加一些卷積層再輸出box信息.

尺度2: 從尺度1中的倒數(shù)第二層的卷積層上采樣(x2)再與最后一個(gè)16x16大小的特征圖相加,再次通過(guò)多個(gè)卷積后輸出box信息.相比尺度1變大兩倍.

尺度3: 與尺度2類(lèi)似,使用了32x32大小的特征圖.

4 總結(jié)

最后總結(jié)兩類(lèi)算法的不同：

RCNN， Fast-RCNN，F(xiàn)aster-RCNN是基于深度學(xué)習(xí)的分類(lèi)方法。

YOLO系列是基于深度學(xué)習(xí)的回歸方法。

本文是我業(yè)余時(shí)間學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測(cè)的一篇整理文章，希望對(duì)目標(biāo)檢測(cè)入門(mén)者有一定幫助。