一、目标检测之R-FCN

R-FCN: Object Detection via Region-based Fully Convolutional Networks
（R-FCN：基于区域的全卷积网络的目标检测）

二、R-FCN介绍

1、R-FCN贡献

  • 二阶段目标检测，基于区域的全卷积网络，几乎所有计算都在整张图像上共享；
  • 提出Position-sensitive score maps来解决目标检测的位置敏感性问题；
  • 比Faster-RCNN快2.5-20倍（在K40GPU上面使用ResNet-101网络可以达到 0.17 sec/image）;

2、R-FCN与R-CNN系列的异同点
目标检测之R-FCN

  • 相同点：首先，均为二阶段的检测框架（全卷积子网络+RoI-wise subnetwork）; 其次两者最终输出的结果都是相应的类别和对应的BB；
  • 不同点：
    如上图所示，我们可以看到和Faster R-CNN相比，R-FCN具有更深的共享卷积网络层，这样可以获得更加抽象的特征；同时，它没有RoI-wise subnetwork，不像Faster R-CNN的feature map左右都有对应的网络层，它是真正的全卷积网络架构；从图中的表格可以看出Faster R-CNN的共享卷积子网络是91层，RoI-wise子网络是10层，而R-FCN只有共享卷积子网络，深度为101层。与R-CNN相比，最大的不同就是直接获得整幅图像的feature map，再提取对应的ROI，而不是直接在不同的ROI上面获得相应的feature map，这就解决了目标检测中位置敏感性问题；

3、理解分类网络的位置不敏感性和检测网络的位置敏感性
目标检测之R-FCN

  • 分类网络的位置不敏感性：对于分类任务而言，希望我的网络有一个很好地分类性能，随着某个目标在图片中不断的移动，我的网络仍然可以准确的将你区分为对应的类别。如上图左边所示，不管你这只鸟在图片中如何移动，我的分类网络都能准确的将你分类为鸟。实验表明，深的全卷积网络能够具备这个特性，如ResNet-101等。

  • 检测网络的位置敏感性：对于检测任务而言，我希望我的网络有一个好的检测性能，可以准确的输出目标所在的位置值。随着某个目标的移动，我的网络希望能够和它一起移动，仍然能够准确的检测到它，即我对目标位置的移动很敏感。我需要计算对应的偏差值，我需要计算我的预测和GT的重合率等。但是，深的全卷积网路不具备这样的一个特征。

4、R-FCN动机
Faster R-CNN是利用CNN来完成proposals的预测的，Faster R-CNN系列的网络都可以分成2个部分：

  • Fully Convolutional subnetwork before RoI Layer
  • RoI-wise subnetwork

第一部分： 直接用普通分类网络的卷积层，用其来提取共享特征，然后一个RoI Pooling Layer在第1部分的最后一张特征图上进行提取针对各个RoIs的特征向量（或者说是特征图，维度变换一下即可），然后将所有RoIs的特征向量都交由第二部分来处理（分类和回归）；
第二部分： 一般都是一些全连接层，在最后有2个并行的loss函数：softmax和smoothL1，分别用来对每一个RoI进行分类和回归，这样就可以得到每个RoI的真实类别和较为精确的坐标和长宽了；

注意！ 第一部分都是像VGG、GoogleNet、ResNet之类的基础分类网络，这些网络的计算都是所有RoIs共享的，在一张图片测试的时候只需要进行一次前向计算即可。而对于第二部分的RoI-wise subnetwork，它却不是所有RoIs共享的，因为这一部分的作用就是“给每个RoI进行分类和回归”，所以当然不能共享计算。那么现在问题就处在这里，首先第1部分的网络具有“位置不敏感性”，而如果我们将一个分类网络比如ResNet的所有卷积层都放置在第1部分用来提取特征，而第2部分则只剩下全连接层，这样的目标检测网络是“位置不敏感的translation-invariance”，所以其检测精度会较低，并且也白白浪费了分类网络强大的分类能力（does not match the network’s superior classification accuracy）。而ResNet论文中为了解决这样的位置不敏感的缺点，做出了一点让步，即将RoI Pooling Layer不再放置在ResNet-101网络的最后一层卷积层之后而是放置在了“卷积层之间”，这样RoI Pooling Layer之前和之后都有卷积层，并且RoI Pooling Layer之后的卷积层不是共享计算的，它们是针对每个RoI进行特征提取的，所以这种网络设计，其RoI Pooling Layer之后就具有了“位置敏感性translation-variance”，但是这样做牺牲了测试速度，因为所有RoIs都要经过若干层卷积计算，测试速度会很慢。

三、R-FCN算法

1、R-FCN框架
目标检测之R-FCN
步骤：

  • 首先，我们选择一张需要处理的图片，并对这张图片进行相应的预处理操作；
  • 接着，我们将预处理后的图片送入一个预训练好的分类网络中（这里使用了ResNet-101网络的Conv4之前的网络），固定其对应的网络参数；
  • 接着，在预训练网络的最后一个卷积层获得的feature map上存在3个分支，第1个分支就是在该feature map上面进行RPN操作，获得相应的ROI；第2个分支就是在该feature map上获得一个K* K*（C+1）维的位置敏感得分映射（position-sensitive score map），用来进行分类；第3个分支就是在该feature map上获得一个4* K* K维的位置敏感得分映射，用来进行回归；
  • 最后，在K* K*（C+1）维的位置敏感得分映射和4* K* K维的位置敏感得分映射上面分别执行位置敏感的ROI池化操作（Position-Sensitive Rol Pooling，这里使用的是平均池化操作），获得对应的类别和位置信息。

2、Position-Sensitive Score Map解析
目标检测之R-FCN
R-FCN的主要设计思想就是“位置敏感得分图(position-sensitive score map)”。现在我们来解释一下其设计思路。如果一个RoI中含有一个类别C的物体，我们将该RoI划分为K* K个区域，其分别表示该物体的各个部位，比如假设该RoI中含有的目标是人，K=3，那么就将“人”划分成了9个子区域，top-center区域应该是人的头部，而bottom-center应该是人的脚部，我们将RoI划分为K*K个子区域是希望这个RoI在其中的每一个子区域都应该含有该类别C的物体的各个部位，即如果是人，那么RoI的top-center区域就应该含有人的头部。当所有的子区域都含有各自对应的该物体的相应部位后，那么分类器才会将该RoI判断为该类别。也就是说物体的各个部位和RoI的这些子区域是“一一映射”的对应关系。

OK，现在我们知道了一个RoI必须是K* K个子区域都含有该物体的相应部位，我们才能判断该RoI属于该物体，如果该物体的很多部位都没有出现在相应的子区域中，那么就该RoI判断为背景类别。那么现在的问题就是网络如何判断一个RoI的 K*K个子区域都含有相应部位呢？前面我们是假设知道每个子区域是否含有物体的相应部位，那么我们就能判断该RoI是否属于该物体还是属于背景。那么现在我们的任务就是判断RoI子区域是否含有物体的相应部位。

这其实就是position-sensitive score map设计的核心思想了。R-FCN会在共享卷积层的最后一层网络上接上一个卷积层，而该卷积层就是位置敏感得分图position-sensitive score map，该score map的含义如下所述：首先它就是一层卷积层，它的height和width和共享卷积层的一样（即具有同样的感受野），但是它的通道个数为K* K* (C+1) 。其中C表示物体类别种数，再加上1个背景类别，所以共有(C+1)类，而每个类别都有 K* K个score maps。现在我们只针对其中的一个类别来进行说明，假设我们的目标属于人这个类别，那么其有 K* K 个score maps，每一个score map表示原始图像中的哪些位置含有人的某个部位，该score map会在含有对应的人体的某个部位的位置有高的响应值，也就是说每一个score map都是用来描述人体的其中一个部位出现在该score map的何处，而在出现的地方就有高响应值”。既然是这样，那么我们只要将RoI的各个子区域对应到属于人的每一个score map上然后获取它的响应值就好了。但是要注意的是，由于一个score map都是只属于一个类别的一个部位的，所以RoI的第 i个子区域一定要到第i张score map上去寻找对应区域的响应值，因为RoI的第i个子区域需要的部位和第i张score map关注的部位是对应的。那么现在该RoI的K* K个子区域都已经分别在属于人的K*K个score maps上找到其响应值了，那么如果这些响应值都很高，那么就证明该RoI是人呀。

3、Position-Sensitive Rol Pooling解析

上面我们只是简单的讲解了一下ROl的K*K个子区域在各个类别的score maps上找到其每个子区域的响应值，我们并没有详细的解释这个“找到”是如何找的？这就是位置敏感Rol池化操作（Position-sensitive RoI pooling），其字面意思是池化操作是位置敏感的，下来我们对它进行解释说明。

通过RPN提取出来的RoI区域，其是包含了x,y,w,h的4个值，也就是说不同的RoI区域能够对应到score map的不同位置上，而一个RoI会被划分成K* K个bins（也就是子区域。每个子区域bin的长宽分别是 h/k 和 w/k ），每个bin都对应到score map上的某一个区域。既然该RoI的每个bin都对应到score map上的某一个子区域，那么池化操作就是在该bin对应的score map上的子区域执行，且执行的是平均池化。我们在前面已经讲了，第i个bin应该在第i个score map上寻找响应值，那么也就是在第i个score map上的第i个bin对应的位置上进行平均池化操作。由于我们有(C+1)个类别，所以每个类别都要进行相同方式的池化操作。
目标检测之R-FCN
上图表示了池化的方式，对于每个类别，它都有K* K个score maps，那么按照上述的池化方式，ROI可以针对该类别可以获得K* K个值，那么一共有(C+1)个类别，那么一个RoI就可以得到K* K* (C+1)个值，就是上图的特征图。那么对于每个类别，该类别的K* K个值都表示该RoI属于该类别的响应值，那么将这K*K个数相加就得到该类别的score，那么一共有(C+1)个scores，那么在这(C+1)个数上面使用简单的softmax函数就可以得到各个类别的概率了（注意，这里不需要使softmax分类器了，只需要使用简答的softmax函数，因为这里就是通过简单的比大小来判断最终的类别的）。

4、Position-Sensitive Regression解析

前面的position-sensitive score map和Position-sensitive RoI pooling得到的值是用来分类的，那么自然需要相应的操作得到对应的值来进行回归操作。按照position-sensitive score map和Position-sensitive RoI pooling思路，其会让每一个RoI得到(C+1)个数作为每个类别的score，那么现在每个RoI还需要 4个数作为回归偏移量，也就是x,y,w,h的偏移量，所以仿照分类设计的思想，我们还需要一个类似于position-sensitive score map的用于回归的score map。那么应该如何设置这个score map呢，论文中给出了说明：即在ResNet的共享卷积层的最后一层上面连接一个与position-sensitive score map并行的score maps，该score maps用来进行regression操作，我们将其命名为regression score map，而该regression score map的维度应当是 4* K* K ，然后经过Position-sensitive RoI pooling操作后，每一个RoI就能得到4个值作为该RoI的x,y,w,h的偏移量了，其思路和分类完全相同。

5、为什么position-sensitive score map能够在含有某个类别的物体的某个部位的区域上具有高响应值？

首先根据网络的loss计算公式，如果一个RoI含有人这个物体，那么该RoI通过position-sensitive score map和Position-sensitive RoI pooling得到的(C+1)个值中属于人的那个值必然会在softmax损失函数的驱动下变得尽量的大，那么如何才能使得属于人的这个值尽量的大呢？那么我们需要想想属于人的这个预测值是怎么来的？经过前面的分析，我们已经知道它是通过Position-sensitive RoI pooling这种池化操作获得的，那么也就是说使得(C+1)个值中属于人的那个值尽量大，必然会使得position-sensitive score map中属于人的那个score map上的RoI对应的位置区域的平均值尽量大，从而会使得该score map上在该区域上的响应值尽量大，因为只有该区域的响应值大了，才能使得预测为人的概率大，才会降低softmax的loss，整个训练过程才能进行下去。
目标检测之R-FCN
如上图中Figure 3所示，我们输入了一张含有一个小孩的图片，图中黄色的BB表示我们的检测到的目标，也就是我们的一个ROI，中间是9张位置敏感的得分映射图（在这里使用的是3x3的特征映射），这9张图分别表示对人这个目标的top-left、top-center、… bottom-right不同区域敏感的得分映射。对应到图中就是将这个ROI分为9个子区域，每一个子区域其实大致上对应到了小孩的不同部位，而不同的部位一般都会有其独特的特征存在，9个区域敏感得分映射图对不同的区域比较敏感（所谓的敏感就是说如果这个子区域中存在该目标的某个部位特征时，其才会输出较大的响应值，否则的话我会输出较小的响应值）。上图中Figure 3中的9个得分映射对ROI中划分的对应子区域都比较敏感（都有很强的响应值，越白表示响应越大，越黑表示响应越小），即ROI中的9个子区域都有较大的响应值。然后进行位置敏感池化操作，最后进行Vote操作，由于9个区域中基本上都有很高的响应值，最后投票通过，认为这个ROI中的对象是一个person。同理，可以得出上图中Figure 4是一个背景类。（上图中Figure 4的位置敏感ROI池化中有5个区域是黑色的，即表示具有较低的响应值，只有4个区域比较高，即表示具有较高的响应值，根据Vote机制，就将其分类为背景类）。

6、Loss计算及其分析
目标检测之R-FCN
这个Loss就是两阶段目标检测框架常用的形式。包括一个分类Loss和一个回归Loss。λ用来平衡两者的重要性。对于任意一个RoI，我们需要计算它的softmax损失，和当其不属于背景时的回归损失。这很简单，因为每个RoI都被指定属于某一个GT box或者属于背景，即先选择和GT box具有最大重叠率（IOU）的Rol，然后在剩余的Rol中选择与GT box的重叠率值大于0.5Rol进行匹配操作，最后将剩余的Rol都归为背景类。即每个Rol都有了对应的标签，我们就可以根据监督学习常用的方法来训练它啦。