[人工智能]目标检测经典算法和API详解（笔记）

商品目标检测

1. 目标检测概述

1.1.项目演示介绍

学习目标

• 了解项目的演示结果

1.1.1 项目演示

项目已经部署上线，Web端+小程序端演示

1.1.2 项目结构

1.1.3 项目安排

• 第一阶段：算法模型
  。RCNN以及相关算法
  。YOLO与SSD
  。算法接口介绍
• 第二阶段：数据集处理
  。 数据集标记格式
  。 数据集存储与读取
• 第三阶段：项目实现
  。 数据接口实现
  。 模型接口实现
  。 训练、设备部署逻辑实现
  。 测试接口
  。 TensorFlow serving部署模型
  。 Web server+TensorFlow serving Client
  。 小程序

1.2 图像识别背景

学习目标

• 目标
  。了解图像识别的三大任务
  。 图像识别的两种模式

1.2.1 图像识别三大任务

• 目标识别：或者说分类，定性目标，确定目标是什么（图a）

• 目标检测：定位目标，确定目标是什么以及位置（图b）

• 目标分割：像素级的对前景与背景进行分类，将背景剔除（图c，图d）
  

目标检测：技术成熟并且使用更多的场景

目标分割：适用于理解要求较高的场景，如无人驾驶中对道路和非道路的分割。

1.2.2 图像识别的发展

• 通用场景
  谷歌、微软、Meta、百度、阿里巴巴在内的科技巨头都花费了大量的人力财力做研究，搭建了很多图像识别的平台。
  
• 垂直场景
  。 医疗领域：医疗影像的检测
  。 林木产业：木板树种检测识别

垂直应用场景里的行业特质挖掘和经验积累往往会被忽视，所以在垂直领域的行业中大量的公司正在开发相当多的图像应用。

1.3 什么是目标检测

学习目标

• 目标
  。 知道目标检测的定义
  。 了解目标检测的技术发展历史

1.3.2 目标检测定义

识别图片中有哪些物体以及物体的位置（坐标位置）

目标检测的位置信息一般由两种格式（以图片左上角为原点(0,0)）：

• 极坐标表示：(xmin, ymin, xmax, ymax)
  。 xmin,ymin:x,y坐标的最小值
  。 xmax,ymax:x,y坐标的最大值
• 中心点坐标：(x_center, y_center, w, h)
  。 x_center, y_center:目标检测框的中心点坐标
  。 w,h:目标检测框的宽、高

假设这个图像是1000x800，所有这些坐标都是构建在像素层面上：

中心点坐标结果如下：

1.3.2 目标检测的技术发展史

• 传统目标检测方法（候选区域+手工特征提取+分类器）
  。 HOG+SVM、DPM
• region proposal+CNN提取分类的目标检测框架
  。 (R-CNN, SPP-NET, Fast R-CNN, Faster R-CNN)
• 端到端（End-to-End）的目标检测框架
  YOLO、SSD

1.4 目标检测的应用场景

• 公安行业的应用
  公安行业用户的迫切需求是在海量的视频信息中，发现犯罪嫌疑人的线索。人工智能在视频内容的特征提取、内容理解方面有着天然的优势。可实时分析视频内容，检测运动对象，识别人、车属性信息，并通过网络传递到后端人工智能的中心数据库进行存储。

• 农作物的应用
  。 农业中农作物表面的病虫害识别也需要用到目标检测技术
  

• 医疗影像检测
  人工智能在医学中的应用目前是一个热门的话题，医学影像图像中病变部位检测和识别对于诊断的自动化，提供优质的治疗具有重要的意义。

• 电商行业的应用
  电商行业中充满无数的商品，利用检测功能查询相关商品，快速找到用户需要的商品类型或者品牌类别，从而提高电商领域的用户满意度

• 道路检测
  

• 动物检测

• 商品检测

• 车牌检测

• 菜品检测
  

• 车型检测

1.5. 开发环境搭建

安装GPU版本的Tensorflow

2. 目标检测算法原理

了解目标检测算法分类
知道目标检测的常见指标IoU
了解目标定位的简单实现方式
了解Overfeat模型的移动窗口方法
说明R-CNN的完整结构过程
了解选择性搜索
了解Crop+Warp的作用
知道NMS的过程以及作用
了解候选区域修正过程
说明R-CNN的训练过程
说明R-CNN的缺点
说明SPPNet的特点
说明SPP层的作用
了解Fast R-CNN的结构特点
说明RoI的特点
了解多任务损失
了解Faster R-CNN的特点
知道RPN的原理以及作用
知道YOLO的网络结构
知道单元格的意义
知道YOLO的损失
知道SSD的结构
说明Detector & classifier的作用
说明SSD的优点
知道TensorFlow的SSD接口意义

2.1 目标检测任务描述目标

• 了解目标检测算法分类
• 知道目标检测的常见指标IoU
• 了解目标定位的简单实现方式

2.1.1 目标检测算法分类

• 两步走的目标检测：先进行区域推荐，而后进行目标分类
  代表：R-CNN、SPP-net、Fast R-CNN、Faster R-CNN

• 端到端的目标检测：采用一个网络一步到位
  代表：YOLO、SSD
  

2.1.2 目标检测的任务

2.1.2.1 分类原理回顾

先来回归下分类的原理，这是一个常见的CNN组成图，输入一张图片，经过其中卷积、激活、池化相关层，最后加入全连接层达到分类概率的效果

• 分类的损失与优化
  在训练的时候需要计算每个样本的损失，那么CNN做分类的时候使用softmax函数计算结果，损失为交叉熵损失
  
• 常见的CNN模型
  
  对于目标检测来说不仅仅是分类这样简单的一个图片输出一个结果，而且还需要输出图片中目标的位置信息，所以从分类到检测，如下图标记了过程:
• 分类 ： 是得到每个类别的概率，比较得到最大概率
  。 softmax进行计算概率，交叉熵损失衡量
  
• 分类+定位 （只有 一个对象的时候）
  
• 目标检测

2.1.2.2 检测的任务

• 分类：
  N个类别
  输入：图片
  输出：类别标签
  评估指标：Accuracy
  
• 定位：
  N个类别
  输入：图片
  输出：物体的位置坐标
  主要评估指标：IOU
  
  其中我们得出来的(x,y,w,h)有一个专业的名词，叫做bounding box(bbox).

2.1.2.3 两种Bounding box名称

在目标检测当中，对bbox主要由两种类别。

• Ground-truth bounding box：图片当中真实标记的框
• Predicted bounding box：预测的时候标记的框
  
  一般在目标检测当中，我们预测的框有可能很多个，真实框GT也有很多个。

2.1.2.4 检测的评价指标

• IoU（交并比）
  两个区域的重叠程度overlap：侯选区域和标定区域的IoU值
  

2.1.4 目标定位的简单实现

在分类的时候我们直接输出各个类别的概率，如果再加上定位的话，我们可以考虑在网络的最后输出加上位置信息。

2.1.4.1 回归位置

增加一个全连接层，即为FC1、FC2

• FC1：作为类别的输出

• FC2：作为这个物体位置数值的输出
  
  假设有10个类别，输出[p1,p2,p3,…,p10]，然后输出这一个对象的四个位置信息[x,y,w,h]。同理知道要网络输出什么，如果衡量整个网络的损失

• 对于分类的概率，还是使用交叉熵损失

• 位置信息具体的数值，可使用MSE均方误差损失（L2损失）

如下图所示：为什么输出两个全连接层？

• 让网络多输出一个全连接层。
• 第一个全连接层是输出概率值
• 第二个全连接层是输出四个位置目标（回归算法输出）
  

2.1.4.2 位置数值的处理

对于输出的位置信息是四个比较大的像素大小值，在回归的时候不适合。目前统一的做法是，每个位置除以图片本身像素大小。

假设以中心坐标方式，那么x = x / x_image, y / y_image, w / x_image, h / y_image,也就是这几个点最后都变成了0~1之间的值(归一化)。

2.2 R-CNN

目标：

• 了解Overfeat模型的移动窗口方法
• 说明R-CNN的完整结构过程
• 了解选择性搜索
• 了解Crop+Warp的作用
• 知道NMS的过程以及作用
• 了解候选区域修正过程
• 说明R-CNN的训练过程
• 说明R-CNN的缺点

对于一张图片当中多个目标，多个类别的时候。前面的输出结果是不定的，有可能是以下有四个类别输出这种情况。或者N个结果，这样的话，网络模型输出结构不定

所以需要一些他的方法解决目标检测（多个目标）的问题，试图将一个检测问题简化成分类问题

2.2.1 目标检测-Overfeat模型

2.2.1.1 滑动窗口

目标检测的暴力方法是从左到右、从上到下滑动窗口，利用分类识别目标。为了在不同观察距离处检测不同的目标类型，我们使用不同大小和宽高比的窗口。如下图所示：

这样就变成每张子图片输出类别以及位置，变成分类问题。但是滑动窗口需要初始设定一个固定大小的窗口，这就遇到了一个问题，有些物体适应的框不一样，所以需要提前设定K个窗口，每个窗口滑动提取M个，总共K x M 个图片，通常会直接将图像变形转换成固定大小的图像，变形图像块被输入 CNN 分类器中，提取特征后，我们使用一些分类器识别类别和该边界框的另一个线性回归器。

2.2.1.2 训练数据集

首先我们会准备所需要的训练集数据，每张图片的若干个子图片以及每张图片的类别位置,如下我们从某张图片中滑动出的若干的图片。

2.2.1.3 Overfeat模型总结

这种方法类似一种暴力穷举的方式，会消耗大量的计算力量，并且由于窗口大小问题可能会造成效果不准确。但是提供了一种解决目标检测问题的思路

• 滑动窗口：提供K种滑动窗口，每个滑动窗口产生M个子图。
• 再对每个子图进行分类、回归

2.2.2 目标检测-R-CNN模型

在CVPR 2014年中Ross Girshick提出R-CNN。

2.2.2.1 完整R-CNN结构

不使用暴力方法，而是用候选区域方法（region proposal method）,用的是SS（选择性搜索）方法 ,创建目标检测的区域改变了图像领域实现物体检测的模型思路，R-CNN是以深度神经网络为基础的物体检测的模型 ，R-CNN在当时以优异的性能令世人瞩目，以R-CNN为基点，后续的SPPNet、Fast R-CNN、Faster R-CNN模型都是照着这个物体检测思路。

• 步骤（以AlexNet网络为基准）
  
  1. 找出图片中可能存在目标的侯选区域region proposal(采用选择性搜索SS的方法)
  2 进行图片大小调整为了适应AlexNet网络的输入图像的大小227×227，通过CNN对候选区域提取特征向量，2000个建议框的CNN特征组合成2000×4096维矩阵
  3. 将2000×4096维特征与20个SVM组成的权值矩阵4096×20相乘(20种分类，SVM是二分类器，则有20个SVM)，获得2000×20维矩阵
  4. 分别对2000×20维矩阵中每一列即每一类进行非极大值抑制（NMS:non-maximum suppression）剔除重叠建议框，得到该列即该类中得分最高的一些建议框
  5. 修正bbox，对bbox做回归微调

2.2.2.2 候选区域（了解）

选择性搜索（SelectiveSearch，SS）中
，首先将每个像素作为一组。然后，计算每一组的纹理，并将两个最接近的组结合起来。但是为了避免单个区域吞噬其他区域，我们首先对较小的组进行分组。我们继续合并区域，直到所有区域都结合在一起。下图第一行展示了如何使区域增长，第二行中的蓝色矩形代表合并过程中所有可能的 ROI。

SelectiveSearch在一张图片上提取出来约2000个侯选区域，需要注意的是这些候选区域的长宽不固定。 而使用CNN提取候选区域的特征向量，需要接受固定长度的输入，所以需要对候选区域做一些尺寸上的修改。

2.2.2.3 Crop + Warp （了解）

传统的CNN限制了输入必须固定大小，所以在实际使用中往往需要对原图片进行crop或者warp(图片大小的调整)的操作

• crop：截取原图片的一个固定大小的patch
• warp：将原图片的ROI缩放到一个固定大小的patch
• 以上两个步骤可以减少图片的变形（减小市失真），并统一图片的大小

无论是crop还是warp，都无法保证在不失真的情况下将图片传入到CNN当中。会使用一些方法尽量让图片保持最小的变形。

• 1.各向异性缩放：即直接缩放到指定大小，这可能会造成不必要的图像失真

• 2.各向同性缩放：在原图上出裁剪侯选区域， (采用侯选区域的像素颜色均值)填充到指定大小在边界用固定的背景颜色
  

2.2.2.4 CNN网络提取特征

• CNN网络提取特征，得出2000个特征向量
• 使用AlexNet结构，输入图片要去227*227
• 提取出的特征会保存在磁盘中
• 提取出（2000，4096）个特特征

在侯选区域的基础上提取出更高级、更抽象的特征，这些高级特征是作为下一步的分类器、回归的输入数据。

2.2.2.5 特征向量训练分类器SVM（二分类）

• SVM分类对2000个候选区域分类，分类出的是目标和背景，两种类型 。如果第一个SVM是对猫分类，分类出要么是猫，要么是背景。
• 得出2000*20的得分矩阵
  假设一张图片的2000个侯选区域，那么提取出来的就是2000 x 4096这样的特征向量（R-CNN当中默认CNN层输出4096特征向量）。那么最后需要对这些特征进行分类，R-CNN选用SVM进行二分类。假设检测N个类别，那么会提供20个不同类别的SVM分类器，每个分类器都会对2000个候选区域的特征向量分别判断一次，这样得出[2000, 20]的得分矩阵，如下图所示

• 每个SVM分类器做的事情
  判断2000个候选区域是某类别，还是背景

2.2.2.6 非极大抑制（NMS）

• 目的
  筛选候选区域，得到最终候选区域结果
• 迭代过程
  对于所有的2000个候选区域得分进行概率筛选
  然后对剩余的候选框，每个类别进行IoU（交并比）>= 0.5 筛选
  
  假设现在滑动窗口有：A、B、C、D、E 5个候选框，
• 得分（score）是指从SVM种输出的概率
• 第一轮：假设B是得分最高的，与B的IoU＞0.5删除。现在与B计算IoU，DE结果＞0.5，剔除DE，B作为一个预测结果
• 第二轮：AC中，A的得分最高，与A计算IoU，C的结果＞0.5，剔除C，A作为一个结果
  最终结果为在这个5个中检测出了两个目标为A和B

2.2.2.2 修正候选区域

• 通过线性回归，特征值是候选区域，目标是对应的Ground-Truth。
• 建立回归方程修正参数
  那么通过 NMS 筛选出来的候选框不一定就非常准确怎么办？R-CNN提供了这样的方法，建立一个bbox regressor
• 回归用于修正筛选后的候选区域，使之回归于ground-truth，默认认为这两个框之间是线性关系，因为在最后筛选出来的候选区域和ground-truth很接近了

修正过程（线性回归）

• 给定：anchor A=(A_{x}, A_{y}, A_{w}, A_{h}) 和 GT=[G_{x}, G_{y}, G_{w}, G_{h}]
• 寻找一种变换F，使得：，其中
  

2.2.3 R-CNN训练过程

R-CNN的训练过程这些部分，正负样本准备+预训练+微调网络+训练SVM+训练边框回归器

2.2.3.1 正负样本准备

对于训练集中的所有图像，采用selective search方式来获取，最后每个图像得到2000个region proposal。但是每个图像不是所有的候选区域都会拿去训练。保证正负样本比例1：3.

这样得出若干个候选区域以及对应的标记结果。

2.2.3.2 预训练(pre-training)：等于迁移学习

CNN模型层数多，模型的容量大,通常会采用2012年的著名网络AlexNet来学习特征，包含5个卷积层和2个全连接层，利用大数据集训练一个分类器，比如著名的ImageNet比赛的数据集，来训练AlexNet，保存其中的模型参数。

2.2.3.3 微调(fine-tuning)

AlexNet是针对ImageNet训练出来的模型，卷积部分可以作为一个好的特征提取器，后面的全连接层可以理解为一个好的分类器。R-CNN需要在现有的模型上微调卷积参数。

• 将第一步中得到的样本进行尺寸变换，使得大小一致，然后作为预训练好的网络的输入，继续训练网络（迁移学习）

2.2.3.4 SVM分类器

**针对每个类别训练一个SVM的二分类器。**举例：猫的SVM分类器，输入维度是2000 4096，目标还是之前第一步标记是否属于该类别猫，训练结果是得到SVM的权重矩阵W，W的维度是409620。

2.2.3.5 bbox回归器训练

只对那些跟ground truth的IoU超过某个阈值且IOU最大的region proposal回归，其余的region proposal不参与。

2.2.4 R-CNN测试过程

输入一张图像，利用selective search得到2000个region proposal。

• 对所有region proposal变换到固定尺寸并作为已训练好的CNN网络的输入，每个候选框得到的4096维特征

• 采用已训练好的每个类别的svm分类器对提取到的特征打分，所以SVM的weight matrix是4096 N，N是类别数，这里一共有20个SVM， 得分矩阵是200020

• 采用non-maximun suppression（NMS）去掉候选框

• 第上一步得到region proposal进行回归。

2.2.5 R-CNN总结

• 表现
  在VOC2007数据集上的平均精确度达到66%

2.2.5.2 缺点

• 1、训练阶段多：步骤繁琐: 微调网络+训练SVM+训练边框回归器。

• 2、训练耗时：占用磁盘空间大：5000张图像产生几百G的特征文件。（VOC数据集的检测结果，因为SVM的存在）

• 3、处理速度慢: 使用GPU, VGG16模型处理一张图像需要47s。

• 4、图片形状变化：候选区域要经过crop/warp进行固定大小，无法保证图片不变形

2.2.6 总结与掌握

• 掌握Overfeat模型思路
  滑动窗口
• 掌握R-CNN的流程
• 掌握训练过程
  预训练
  微调
  SVM+bbox regressor训练
• 了解R-CNN的缺点
  训练耗时
  训练阶段多
  处理速度慢
  图片变形问题

2.2.7 问题？

1、R-CNN实现候选区域的有效算法是？

2、R-CNN算法中如果有得出了2000个候选框，总共有120种类别，请问特征提取之后的SVM分类器应该为多少个？

3、NMS的过程描述？以及作用？

4、请说明候选框的修正过程？

5、请描述微调过程的样本比例选择？

6、请描述R-CNN的训练和测试过程？

2.3 SPPNet

学习目标：

• 说明SPPNet的特点
• 说明SPP层的作用

R-CNN的速度慢在哪？

每个候选区域都进行了卷积操作提取特征。

2.3.1 SPPNet

SPPNet主要存在两点改进地方，提出了SPP层

• 减少卷积计算
• 防止图片内容变形
  

2.3.1.1 映射

原始图片经过CNN变成了feature map,原始图片通过选择性搜索（SS）得到了候选区域，现在需要将基于原始图片的候选区域映射到feature map中的特征向量。映射过程图参考如下：

整个映射过程有具体的公式，如下
假设(x′,y′)(x′,y′)表示特征图上的坐标点，坐标点(x,y)表示原输入图片上的点，那么它们之间有如下转换关系，这种映射关心与网络结构有关：(x,y)=(S?x′,S?y′)，即

• 左上角的点：
  x′=[x/S]+1
• 右下角的点：
  x′=[x/S]?1