FastRCNN论文详解

墨蓝 2022-12-17 05:27 161阅读 0赞

Fast RCNN的paper地址：https://arxiv.org/abs/1504.08083

FastRCNN是基于RCNN和SPPnet等网络的基础上上做了系列的创新型的改进得到的，比起前面的工作既提高了训练和测试的速度，也提高了一点准确度。

文章作者分析了RCNN和SPPnet各自的 缺点，然后对比指出自己的Fast RCNN带来了哪些贡献。

RCNN文章分析：[RCNN个人理解][RCNN]

**RCNN的缺点：**

1.  Training is a multi-stage pipeline 。RCNN训练是一个多阶段的流程，分三个阶段，分别是为一、CNN做fine-tuning；二、利用微调之后得到的特征训练SVM；三、训练bounding box regressor。
2.  Training is expensive in space and time. 训练所需空间与时间耗费巨大，为了训练bb regressor，需要将每个图片中的每个proposal的被提取出来的特征写入磁盘；每个proposal都要单独的一次前向传播，就很费时！
3.  Object detection is slow.测试时由于也需要将同学中每个候选框单独的前向传播提取特征，所以时间较长。

SPPnet文章分析：[SPPnet简介][SPPnet]  
**SPPnet的缺点：**  
反向传播时无法（inefficient/expensive）更新空间金字塔池化层前面的卷积层。

**原因是：**  
*SPP-Net中fine-tuning的采样是RoI-centric sampling，从所有图像的RoI种采样，而反向传播需要计算每一个RoI感受野的卷积层梯度，通常所有RoI会覆盖整个图像，如果用RoI-centric sampling方式需要计算每张图像的梯度，也就需要同时计算和存储这些图像的Feature Map，时间和空间上都very expensive.*

> (RCNN和SPPnet一样也是先提取所有图像的proposal，然后提取出特征，在从所有的特征中sample 样本做训练，同一个batch中的所有RoI全部来自不同的图片)

**Fast RCNN的改进：**

训练是一个阶段的，使用了多任务损失函数来训练。 Fast R-CNN 在一个fine-tuning中同时优化softmax分类器和bounding-box regressors。

1、训练可以更新所有的层。Fast RCNN训练的时候采样是image-centric sampling，每次从N张图片中采样，每张图片采样R/N个Roi，这样总共还是R个RoI，但是不同的是只需要计算出N张图片的feature map，因为同一张图片的RoI在前向传播和反向传播中共享计算和存储资源，这样内存的消耗就大大减少，可以更新到全部的卷积层了。

> （作者在后面列出，并不需要真的更新到所有的卷积层，对于深层次的网络只需从第三个Conv3 -1开始更新，而较浅的从Conv2-1开始就行，Conv1提取得到的是一些公共特征，与具体任务无关，所以每必要更新）。

2、Fast RCNN由损失函数计算由分类损失和定位损失两部分组成，从而能够同时优化这两部分呢；其中bb regressor的损失改为了Smooth-L1范式，有更强鲁棒性；

3、将RCNN中的SVM替换为了softmax，实验表明这样准确度更高；文章中还提到了mAP和Average Recall的关系，指出IoU的阈值会对这两个起到很大影响；

4、 使用SVD来减少了全连接层的参数数量，将单个较大的全连接层替换为两个紧邻的全连接层，中间没有非线性激活；

5、Fast RCNN采用的一个max pooling将任意RoI中的特征采样为H×W空间大小的feature map，然后在传入全连接层，这里RoI layer可以看作SPPnet中 spatial pyramid pooling layer的一个特例，注意每个Pooling针对每个channel独立操作的。

> 虽然Fast RCNN对输入图片的尺寸没有了限制，但是实验表明单一尺寸的图片结果要好些，这里尺寸是训练时的输入尺寸，test时任意尺寸的图片都行，直接输入；

> proposal是否越多越好呢，实验表明2000左右的时候mAP和AR曲线相较，也就是2000的时候最合适；  
> 实验数据是否越多越好呢，of cause，voc2007+voc2012表现最好。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdoYW8yMDE2MDcwMzAxMDE_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

参考上图，我表诉一下detection的步骤：

*  首先输入的数据为整张图片和selective search得到的2000个proposal，输入整个图片经过CNN提取特征得到我们的feature map；
 *  然后对应每个proposal映射到feature map上得到的RoI,在每个RoI上进行RoIPooling，全都得到一个固定大小H×W的feature map；
 *  之后将这些feature map经过全连接传到softmax和bounding box regressor，得到每个Roi对应每个类的概率值以及bounding box的边框偏置，将边框偏置带入边框回归公式，就可得到最终的候选框位置G’。

[RCNN]: https://blog.csdn.net/yanghao201607030101/article/details/109187717
[SPPnet]: https://blog.csdn.net/yanghao201607030101/article/details/109203705
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