目标检测之R-FCN网络

论文地址：https://arxiv.org/abs/1605.06409
Github代码：Matlab版，Python版

背景

在Fast R-CNN中，rbg利用 ROI Pooling 解决了不同尺寸 proposal 的特征提取问题，在其升级版 Faster R-CNN 中rbg进一步提出了 RPN 网络，通过共享输入图像的卷积特征，快速生成 proposal。纵观整个 R-CNN 系列的发展过程，我们可以发现，Fast R-CNN中之所以引进 ROI Pooling 是因为网络中全连接层的存在。事实上，一些state of art的图片分类网络均为全卷积网络，如ResNet、GoogLeNet等。所以很自然地，是否可以将目标检测的网络也用全卷积网络来实现？事实证明，如果简单地丢弃全连接层（实现融合特征和特征映射），检测的效果会很差。

作者认为这主要来源于这样的一对矛盾：

图像分类：要求图像具有平移不变性（translation invariance）
目标检测：要求图像具有位置敏感性（translation variance）

Region based Fully Convolutional Network（R-FCN）的提出即是为了解决这样的一对矛盾，R-FCN中的一个关键层是位置敏感ROI池化层（position-sensitive RoI pooling layer）。

R-FCN结构

r-fcn

首先来看一下R-FCN的网络结构。和Faster R-CNN一样，R-FCN也是 基于region proposal的两级检测架构。

“对于region-based的检测方法，以Faster R-CNN为例，实际上是分成了几个subnetwork，第一个用来在整张图上做比较耗时的conv，这些操作与region无关，是计算共享的。第二个subnetwork是用来产生候选的boundingbox（如RPN），第三个subnetwork用来分类或进一步对box进行regression（如Fast RCNN），这个subnetwork和region是有关系的，必须每个region单独跑网络，衔接在这个subnetwork和前两个subnetwork中间的就是ROI pooling。我们希望的是，耗时的卷积都尽量移到前面共享的subnetwork上。因此，和Faster RCNN中用的ResNet（前91层共享，插入ROI pooling，后10层不共享）策略不同，本文把所有的101层都放在了前面共享的subnetwork。最后用来prediction的卷积只有1层，大大减少了计算量。”

R-FCN 首先也是一个RPN的网络，用于生成和训练proposal（ROI）。所不同的是，Faster R-CNN中，ROI Pooling层直接对ROI进行分块池化输出用于分类和回归的特征向量。

R-FCN中，则将每一个ROI划分成k×k个格，池化输出每个格的位置得分，再通过投票方式得到 ROI 最后的输出特征向量。的首先生成 k^2(C+1) 通道大小的输出。其中，C 为类别数（+1为背景）， k^2 表示将ROI区域划分成 k×k个格，如上图所示。如 k=3，则对应9个格，分别为上左（左上角），上中，上右，中左，中中，中右，下左，下中，下右（右下角），如下图所示：

Backbone网络：ResNet101——去除原始网络最后的平均池化层和全连接层，保留100层的卷积层用于特征提取。为了降维，100层卷积层之后又添加了一层1×1×1024的卷积层，使输出维度变成1024（原始的是2048）。之后再接一层卷积层用于产生得分图。

位置敏感得分图&位置敏感ROI Pooling：将w×h大小的ROI划分成k×k个格（大小 ≈ \frac{w}{k}×\frac{h}{k}）。对每个格进行位置敏感池化操作，如下式：
r(i,j|Θ) = \sum_{(x,y)∈bin(i,j)}^{}z_i,_j,_c(x+x_0,y+y_0|Θ)/n
式中，r(i,j|Θ)是第(i,j)个格的池化响应；z_i,_j,_c表示k^2(C+1) 中的一个得分图；(x_0,y_0)表示ROI左上角的格。

k^2个得分图通过投票（eg.求均值）后得到ROI上 C+1 维的输出向量。后接一个softmax层得到每一类的最终得分，并在训练时计算损失，如下图。

ROI的位置回归：R-FCN的位置回归方式与R-CNN和Fast R-CNN相似。上面说到，在base网络的 feature map 之后连接了一层卷积用于产生k^2(C+1)维的位置敏感得分图。此处仍然从base网络上连接一个 4k^2 通道的得分图（与位置敏感得分图并列），用来做 ROI 的坐标微调。同样对这个 4k^2 大小的得分图进行 ROI Pooling操作，输出 t=(t_x, t_y, t_w, t_h) 大小的 4 维坐标向量。

训练的相关细节：损失函数与Fast RCNN相似，分类部分为交叉熵损失，回归部分为平滑L1损失，总的损失为这两部分的和：

L(s, t_{x, y, w, h}) = L_{cls}(s_{c^*}) + \lambda[c^* > 0]L_{reg}(t, t^*)

1. IoU大于0.5的ROI被当做正样本，其余作为负样本
2. 采用单尺度训练，尺度大小为600像素（min（w, h））。每张图片通过OHEM选取128个hard example做反向传播
3. 分别用学习率为0.001，20k次迭代；学习率为0.0001,10k次迭代在VOC数据集上做微调
4. 采用类似Faster R-CNN中的4步训练策略交替训练RPN网络和R-FCN网络

推理部分：与Faster R-CNN等类似，采用阈值0.7的NMS进行非极大值抑制。

À trous卷积和stride调整：R-FCN调整了部分卷积核的stride大小（conv4及之前的保持stride=16，conv5的stride由2变为1）。同时，conv5上的卷积采用À trous卷积（空洞卷积），补偿减小stride带来的影响。

实验结果

VOC数据集

1. 与Faster R-CNN的对比

2. ResNet深度、ROI生成策略的影响

COCO数据集