动手学CV-目标检测入门教程：基本概念

Posted 2022-11-23 随煜而安

3.1 目标检测基本概念

本文来自开源组织 DataWhale 🐳 CV小组创作的目标检测入门教程。
对应开源项目 《动手学CV-Pytorch》 的第3章的内容，教程中涉及的代码也可以在项目中找到，后续会持续更新更多的优质内容，欢迎⭐️。
如果使用我们教程的内容或图片，请在文章醒目位置注明我们的github主页链接：https://github.com/datawhalechina/dive-into-cv-pytorch

3.1.1 什么是目标检测

目标检测是计算机视觉中的一个重要任务，近年来传统目标检测方法已经难以满足人们对目标检测效果的要求，随着深度学习在计算机视觉任务上取得的巨大进展，目前基于深度学习的目标检测算法已经成为主流。

相比较于基于深度学习的图像分类任务，目标检测任务更具难度。

具体区别如图3-1所示。

图像分类：只需要判断输入的图像中是否包含感兴趣物体。

目标检测：需要在识别出图片中目标类别的基础上，还要精确定位到目标的具体位置，并用外接矩形框标出。

图3-1 分类和目标检测任务示意图

3.1.2 目标检测的思路

自2012年Alex Krizhevsky凭借Alex在ImageNet图像分类挑战赛中拿下冠军之后，深度学习在图像识别尤其是图像分类领域开始大放异彩，大众的视野也重新回到深度神经网络中。紧接着，不断有更深更复杂的网络出现，一再刷新ImageNet图像分类比赛的记录。

大家发现，通过合理的构造，神经网络可以用来预测各种各样的实际问题。于是人们开始了基于CNN的目标检测研究, 但是随着进一步的探索大家发现，似乎CNN并不善于直接预测坐标信息。并且一幅图像中可能出现的物体个数也是不定的，模型如何构建也比较棘手。

因此，人们就想，如果知道了图中某个位置存在物体，再将对应的局部区域送入到分类网络中去进行判别，那我不就可以知道图像中每个物体的位置和类别了吗？

但是，怎么样才能知道每个物体的位置呢？显然我们是没办法知道的，但是我们可以去猜啊！所谓猜，其实就是通过滑窗的方式，罗列图中各种可能的区域，一个个去试，分别送入到分类网络进行分类得到其类别，同时我们会对当前的边界框进行微调，这样对于图像中每个区域都能得到（class,x1,y1,x2,y2）五个属性，汇总后最终就得到了图中物体的类别和坐标信息。

总结一下我们的这种方案思路：先确立众多候选框，再对候选框进行分类和微调。

观察下图2-1，更形象的理解下这种思想：

图3-2 从分类角度去看目标检测

图3-2展示了一个通过遍历各个区域，然后逐个分类去完成目标检测任务的过程示例。在待识别图上预设一个框，然后逐像素遍历，就能得到大量候选框（这里仅为示意图，图上只展示了3个框用于说明问题，具体数量由图像大小和预设框大小决定），每个框送入到分类网络分类都有一个得分(代表当前框中有一个船的置信度)，那么得分最高的就代表识别的最准确的框，其位置就是最终要检测的目标的位置。

以上就是最初的基于深度学习的目标检测问题解决思路，RCNN，YOLO，SSD等众多经典网络模型都是沿着这个思路优化发展的。

本文会基于以上思路，带领大家从0开始一步步搭建一个目标检测模型，并完成模型的训练测试及评价！

3.1.3 目标框定义方式

任何图像任务的训练数据都要包括两项，图片和真实标签信息，通常叫做GT。

图像分类中，标签信息是类别。目标检测的标签信息除了类别label以外，需要同时包含目标的位置信息，也就是目标的外接矩形框bounding box。

用来表达bbox的格式通常有两种，(x1, y1, x2, y2) 和 (c_x, c_y, w, h) ，如图3-3所示：

图3-3 目标框定义方式

之所以使用两种不同的目标框信息表达格式，是因为两种格式会分别在后续不同场景下更加便于计算。

两种格式互相转换的实现在utils.py中，代码也非常简单：

def xy_to_cxcy(xy):
    """
    Convert bounding boxes from boundary coordinates (x_min, y_min, x_max, y_max) to center-size coordinates (c_x, c_y, w, h).

    :param xy: bounding boxes in boundary coordinates, a tensor of size (n_boxes, 4)
    :return: bounding boxes in center-size coordinates, a tensor of size (n_boxes, 4)
    """
    return torch.cat([(xy[:, 2:] + xy[:, :2]) / 2,  # c_x, c_y
                      xy[:, 2:] - xy[:, :2]], 1)  # w, h


def cxcy_to_xy(cxcy):
    """
    Convert bounding boxes from center-size coordinates (c_x, c_y, w, h) to boundary coordinates (x_min, y_min, x_max, y_max).

    :param cxcy: bounding boxes in center-size coordinates, a tensor of size (n_boxes, 4)
    :return: bounding boxes in boundary coordinates, a tensor of size (n_boxes, 4)
    """
    return torch.cat([cxcy[:, :2] - (cxcy[:, 2:] / 2),  # x_min, y_min
                      cxcy[:, :2] + (cxcy[:, 2:] / 2)], 1)  # x_max, y_max

3.1.4 交并比（IoU）

在目标检测任务中，关于IOU的计算贯穿整个模型的训练测试和评价过程，是非常非常重要的一个概念，其目的是用来衡量两个目标框的重叠程度。

IoU的全称是交并比（Intersection over Union），表示两个目标框的交集占其并集的比例。图3-4为IOU计算示意图:

图3-4 IOU计算示意图

图中可以看到，分子中黄色区域为红bbox和绿bbox的交集，分母中黄+红+绿区域为红bbox和绿bbox的并集，两者之比即为iou。

那么具体怎么去计算呢？这里给出计算流程的简述:

1.首先获取两个框的坐标，红框坐标: 左上(red_x1, red_y1), 右下(red_x2, red_y2)，绿框坐标: 左上(green_x1, green_y1)，右下(green_x2, green_y2)
2.计算两个框左上点的坐标最大值:(max(red_x1, green_x1), max(red_y1, green_y1)), 和右下点坐标最小值:(min(red_x2, green_x2), min(red_y2, green_y2))
3.利用2算出的信息计算黄框面积：yellow_area
4.计算红绿框的面积：red_area 和 green_area
5.iou = yellow_area / (red_area + green_area - yellow_area)

如果文字表述的不够清晰，就再看下代码：

def find_intersection(set_1, set_2):
    """ 
    Find the intersection of every box combination between two sets of boxes that are in boundary coordinates.

    :param set_1: set 1, a tensor of dimensions (n1, 4)                                                                                                           
    :param set_2: set 2, a tensor of dimensions (n2, 4)
    :return: intersection of each of the boxes in set 1 with respect to each of the boxes in set 2, a tensor of dimensions (n1, n2)
    """

    # PyTorch auto-broadcasts singleton dimensions
    lower_bounds = torch.max(set_1[:, :2].unsqueeze(1), set_2[:, :2].unsqueeze(0))  # (n1, n2, 2)
    upper_bounds = torch.min(set_1[:, 2:].unsqueeze(1), set_2[:, 2:].unsqueeze(0))  # (n1, n2, 2)
    intersection_dims = torch.clamp(upper_bounds - lower_bounds, min=0)  # (n1, n2, 2)
    return intersection_dims[:, :, 0] * intersection_dims[:, :, 1]  # (n1, n2)


def find_jaccard_overlap(set_1, set_2):
    """ 
    Find the Jaccard Overlap (IoU) of every box combination between two sets of boxes that are in boundary coordinates.

    :param set_1: set 1, a tensor of dimensions (n1, 4)
    :param set_2: set 2, a tensor of dimensions (n2, 4)
    :return: Jaccard Overlap of each of the boxes in set 1 with respect to each of the boxes in set 2, a tensor of dimensions (n1, n2)
    """

    # Find intersections
    intersection = find_intersection(set_1, set_2)  # (n1, n2)

    # Find areas of each box in both sets
    areas_set_1 = (set_1[:, 2] - set_1[:, 0]) * (set_1[:, 3] - set_1[:, 1])  # (n1)
    areas_set_2 = (set_2[:, 2] - set_2[:, 0]) * (set_2[:, 3] - set_2[:, 1])  # (n2)

    # Find the union
    # PyTorch auto-broadcasts singleton dimensions
    union = areas_set_1.unsqueeze(1) + areas_set_2.unsqueeze(0) - intersection  # (n1, n2)

    return intersection / union  # (n1, n2)

以上代码位于utils.py脚本的find_intersection和find_jaccard_overlap

3.1.5 小结

以上便是本小节的全部内容了。

本小节我们首先介绍了目标检测的问题背景，随后分析了一个实现目标检测的解决思路，这也是众多经典检测网络和本章要介绍的模型所采用的思路(即先确立众多候选框，再对候选框进行分类和微调)。最后介绍了bbox和IoU这两个目标检测相关的基本概念。

下一小节，我们将会从数据入手，介绍下目标检测领域最常见的一个数据集VOC，以及数据读取相关的代码。