【53】目标检测之卷积网络滑动窗口实现

卷积的滑动窗口实现（Convolutional implementation of sliding windows）

上节笔记，我们学习了如何通过卷积网络实现滑动窗口对象检测算法，但效率很低。这节课我们讲讲如何在卷积层上应用这个算法。

为了构建滑动窗口的卷积应用，首先要知道如何把神经网络的全连接层转化成卷积层。我们先讲解这部分内容，下一张图，我们将按照这个思路来演示卷积的应用过程。

假设对象检测算法输入一个14×14×3的图像（图像很小，不过演示起来方便）。

在这里过滤器大小为5×5，数量是16，14×14×3的图像在过滤器处理之后映射为10×10×16。然后通过参数为2×2的最大池化操作，图像减小到5×5×16。

然后添加一个连接400个单元的全连接层，接着再添加一个全连接层，最后通过softmax单元输出y。

为了跟下图区分开，我先做一点改动，用4个数字来表示y，它们分别对应softmax单元所输出的4个分类出现的概率。这4个分类可以是行人、汽车、摩托车和背景或其它对象。

下方开车，请做好扶好~

现在我要演示的就是如何把这些全连接层转化为卷积层，画一个这样的卷积网络，它的前几层和之前的一样，而对于下一层，也就是这个全连接层，我们可以用5×5的过滤器来实现，数量是400个（编号1所示），输入图像大小为5×5×16，用5×5的过滤器对它进行卷积操作，过滤器实际上是5×5×16，因为在卷积过程中，过滤器会遍历这16个通道，所以这两处的通道数量必须保持一致，输出结果为1×1。

假设应用400个这样的5×5×16过滤器，输出维度就是1×1×400，我们不再把它看作一个含有400个节点的集合，而是一个1×1×400的输出层。从数学角度看，它和全连接层是一样的，因为这400个节点中每个节点都有一个5×5×16维度的过滤器，所以每个值都是上一层这些5×5×16激活值经过某个任意线性函数的输出结果。

我们再添加另外一个卷积层（编号2所示），这里用的是1×1卷积，假设有400个1×1的过滤器，在这400个过滤器的作用下，下一层的维度是1×1×400，它其实就是上个网络中的这一全连接层。最后经由1×1过滤器的处理，得到一个softmax激活值，通过卷积网络，我们最终得到这个1×1×4的输出层，而不是这4个数字（编号3所示）。

以上就是用卷积层代替全连接层的过程，结果这几个单元集变成了1×1×400和1×1×4的维度。

参考论文：Sermanet, Pierre, et al. "OverFeat: Integrated Recognition, Localization and Detection using Convolutional Networks." Eprint Arxiv (2013).

掌握了卷积知识，我们再看看如何通过卷积实现滑动窗口对象检测算法。讲义中的内容借鉴了屏幕下方这篇关于OverFeat的论文，它的作者包括Pierre Sermanet，David Eigen，张翔，Michael Mathieu，Rob Fergus，Yann LeCun。

假设向滑动窗口卷积网络输入14×14×3的图片，为了简化演示和计算过程，这里我们依然用14×14的小图片。

和前面一样，神经网络最后的输出层，即softmax单元的输出是1×1×4，我画得比较简单，严格来说，14×14×3应该是一个长方体，第二个10×10×16也是一个长方体，但为了方便，我只画了正面。所以，对于1×1×400的这个输出层，我也只画了它1×1的那一面，所以这里显示的都是平面图，而不是3D图像。

假设输入给卷积网络的图片大小是14×14×3，测试集图片是16×16×3，现在给这个输入图片加上黄色条块，在最初的滑动窗口算法中，你会把这片蓝色区域输入卷积网络（红色笔标记）生成0或1分类。接着滑动窗口，步幅为2个像素，向右滑动2个像素，将这个绿框区域输入给卷积网络，运行整个卷积网络，得到另外一个标签0或1。

继续将这个橘色区域输入给卷积网络，卷积后得到另一个标签，最后对右下方的紫色区域进行最后一次卷积操作。我们在这个16×16×3的小图像上滑动窗口，卷积网络运行了4次，于是输出了了4个标签。

结果发现，这4次卷积操作中很多计算都是重复的。

所以执行滑动窗口的卷积时使得卷积网络在这4次前向传播过程中共享很多计算，尤其是在这一步操作中（编号1），卷积网络运行同样的参数，使得相同的5×5×16过滤器进行卷积操作，得到12×12×16的输出层。然后执行同样的最大池化（编号2），输出结果6×6×16。照旧应用400个5×5的过滤器（编号3），得到一个2×2×400的输出层，现在输出层为2×2×400，而不是1×1×400。应用1×1过滤器（编号4）得到另一个2×2×400的输出层。再做一次全连接的操作（编号5），最终得到2×2×4的输出层，而不是1×1×4。最终，在输出层这4个子方块中，蓝色的是图像左上部分14×14的输出（红色箭头标识），右上角方块是图像右上部分（绿色箭头标识）的对应输出，左下角方块是输入层左下角（橘色箭头标识），也就是这个14×14区域经过卷积网络处理后的结果，

同样，右下角这个方块是卷积网络处理输入层右下角14×14区域(紫色箭头标识)的结果。

如果你想了解具体的计算步骤，以绿色方块为例，假设你剪切出这块区域（编号1），传递给卷积网络，第一层的激活值就是这块区域（编号2），最大池化后的下一层的激活值是这块区域（编号3），这块区域对应着后面几层输出的右上角方块（编号4，5，6）。

所以该卷积操作的原理是我们不需要把输入图像分割成四个子集，分别执行前向传播，而是把它们作为一张图片输入给卷积网络进行计算，其中的公共区域可以共享很多计算，就像这里我们看到的这个4个14×14的方块一样。

下面我们再看一个更大的图片样本，假如对一个28×28×3的图片应用滑动窗口操作，如果以同样的方式运行前向传播，最后得到8×8×4的结果。跟上一个范例一样，以14×14区域滑动窗口，首先在这个区域应用滑动窗口，其结果对应输出层的左上角部分。接着以大小为2的步幅不断地向右移动窗口，直到第8个单元格，得到输出层的第一行。然后向图片下方移动，最终输出这个8×8×4的结果。因为最大池化参数为2，相当于以大小为2的步幅在原始图片上应用神经网络。