目标检测-温故而知新

Posted 2021-11-10 乐郝

双阶段（候选框提取、分类分开进行）
RCNN->Fast RCNN ->Faster RCNN->Mask-RCNN

单阶段
yolov1（2016cvpr）->ssd(2016 eccv oral)->yolov2（2017cvpr）->retinanet(focal loss)->yolov3（2018arvix）

研一在雁栖湖的时候有门课要求看一系列的论文并且写成ppt的形式。
当时主要看了目标检测方面的论文，有很多地方没理解。
最近有时间又回顾了一遍有一些新的想法，在这里记录一下。

对目标检测不熟悉的朋友可以先看博客最后的基础知识部分，主要包括数据增强，IOU，NMS，mAP。

图片来自参考文献[1]

RCNN系列

多阶段目标检测系列了解的少一点，知乎上看见有人对每篇文章都用一句话总结的不错，搬运一波。

https://www.zhihu.com/question/35887527

补充一个
Mask-RCNN解决的是，“为什么不进一步做实例分割”
于是何恺明尝试在Faster-RCNN的基础之上实现了实例分割，我理解实例分割相当于细粒度目标检测。

下面是一些我自己觉得RCNN系列中值得注意的地方

1）Faster RCNN 去掉了selective search ，可以端到端的进行训练，但是如果分4步进行训练的话精度会提升。

2）Faster RCNN 和 SSD 中位置损失使用Smooth L1 loss，yolo系列使用L2 loss，猜测是因为yolov2对位置信息使用了新的编码方式，将边界框中心点约束在当前cell中。

3）Mask-RCNN中的ROIAlign代替ROIPooling，我理解ROIAlign相当于亚像素级别的ROIPooling

yolo系列

发表的时间顺序
yolov1->ssd->yolov2->retinanet(focal loss)->yolov3

相对于R-CNN系列的"看两眼"(候选框提取与分类)
YOLO只需要You Only Look Once
YOLO统一为一个回归问题，最后输出时的confidence值，这个值决定了前景和背景。
这样做明显加快了速度，但是缺少了单独提取前景的网络region proposal net。

使得正负样本不平衡问题比较严重，yolov1中有无object的box对confidence预测的权重不同在一定程度上缓解这个问题
后续的focal loss也是针对正负样本不平衡问题以及难样本挖掘问题（类似faster-rcnn的OHEM）

yolov1

You Only Look Once:Unified, Real-Time Object Detection
最终输出的张量大小：7x7x((4+1)*2+20)
7x7个grid
2个box
每个box xyhw4个值以及confidence（红色部分）共5个值
每个grid预测20种类别的置信度（蓝色部分）


图片来自参考文献[2]

损失函数如下：
均为L2 loss

优点：
1）YOLO统一为一个回归问题，最后输出时的confidence值，这个值决定了前景和背景。
2）坐标预测，减少大框占的loss比例，这里对 [w,h] 在损失函数中的处理分别取了根号，缓解尺寸不平衡问题。
3)loss里面针对有无物体loss weight不同，也算是平衡正负样本

缺点：
1）每个grid只能检测一类物体中的一个物体，遇到密集物体，物体占画面比较低时，recall会比较低。
2）存在全链接层，只能单尺度训练

yolov2

YOLO9000: Better, Faster, Stronger

优点
1）引入了anchor box 代替了全链接层
    a)可以多尺寸训练模型
    b)每一个grid 可以预测一类物体中的多个物体
2）将训练数据集中的矩形框全部拿出来，用kmeans聚类得到先验框的宽和高。
3）多层softmax，充分利用标签之间的相关性信息，多次求解条件概率。
4）坐标预测：将边界框中心点约束在当前cell中，使用sigmoid函数处理偏移值，使得模型稳定。
5）引入Passthrough layer 多个尺寸下检测目标框，缓解小尺寸物体的识别效果不佳的问题。 ssd里面也有相似的操作。

tips:
    多尺寸训练模型指的是输入的图片尺寸可以不同。
    多个尺寸下检测目标框指的是在不同的感知野下做目标检测，可以同时检测出较大的物体以及较小的物体。

缺点
1）单标签预测。
2）小物体检测效果不好。

多次计算条件概率
下图的softmax指的是进行了多次softmax计算

yolov2的损失函数如下：
    类别损失类似yolov1里面针对有无物体loss weight不同，有助于平衡正负样本
    [w,h]的预测部分通过（2-wh）缓解尺寸不平衡问题。（yolov2修改了xywh的预测方式）

yolov3

1）单标签->多标签
bceloss+sigmoide->L2+softmax
谷歌的open image论文中有提到过imagenet数据集中存在大量图片不止有一个标签，但是只打了一个标签的情况。
2）多尺度特征融合FPR
yolov2中的Passthrough的升级版，有点类似resnet，unet。
在多个尺度下进行目标检测。

以输入图像为416416为例，YOLOv2中一张图片需要预测13135=845个边界框，而YOLOv3中需要预测（1313+2626+5252）*3=10647个边界框。

RetinaNet(focal loss)

Focal Loss for Dense Object Detection

下图的红色部分用来缓解正负样本不平衡的问题。
对正样本设置更改的权重，通常为0.25。

下图的蓝色部分用来进行难样本挖掘，类似Faster RCNN中的OHEM（online hard example mining）。
预测概率越高的目标，可信度越高，需要更少的关注。

focal loss带来的变化

图片来自参考文献[3]

基础知识

数据增强

    目标检测中的数据增强是比较复杂，每一次改变图像同时也要考虑boxes的信息。
    比起目标分类更加局限性，比如翻转，左右翻转一般影响不大，但上下翻转造成的影响就截然不同。
参考资料
https://www.freesion.com/article/6083573650/

iou 交集/并集

目标检测和图像分割都往往用到iou，miou等概念。
miou：对各个类别的IOU进行平均。
手写iou计算
def bb_intersection_over_union(boxA, boxB):
boxA = [int(x) for x in boxA]
boxB = [int(x) for x in boxB]
xA = max(boxA[0], boxB[0])
yA = max(boxA[1], boxB[1])
xB = min(boxA[2], boxB[2])
yB = min(boxA[3], boxB[3])
interArea = max(0, xB - xA + 1) * max(0, yB - yA + 1)
boxAArea = (boxA[2] - boxA[0] + 1) * (boxA[3] - boxA[1] + 1)
boxBArea = (boxB[2] - boxB[0] + 1) * (boxB[3] - boxB[1] + 1)
iou = interArea / float(boxAArea + boxBArea - interArea)
return iou

上述代码之所以很多地方需要+1，是因为这里的0->1的距离指的是[0,1]中一共有多少个像素，即像素0和像素1，共2个像素。

参考资料
https://blog.csdn.net/weixin_42135399/article/details/101025941

非极大值抑制—NMS（Non-Maximum Suppression）

解决的问题：
检测出的目标框太多，有很多重复的框，同一物体对应多个框，应该只保留置信度比较高的一个。
（不同类的目标框不构成竞争关系，不会因此被删除）
视频边缘检测的方法中似乎也用到了NMS。

所谓非极大值抑制：
先假设有6个输出的矩形框(即proposal_clip_box)，根据分类器类别分类概率做排序，从小到大分别属于车辆的概率(scores)分别为A、B、C、D、E、F。
(1)从最大概率矩形框F开始，分别判断A~E与F的重叠度IOU是否大于某个设定的阈值;
(2)假设B、D与F的重叠度超过阈值，那么就扔掉B、D；并标记第一个矩形框F，是我们保留下来的。
(3)从剩下的矩形框A、C、E中，选择概率最大的E，然后判断E与A、C的重叠度，重叠度大于一定的阈值，那么就扔掉；并标记E是我们保留下来的第二个矩形框。
就这样一直重复，找到所有被保留下来的矩形框。

soft NMS
soft NMS算法：
NMS算法直接删除IOU过大的框太绝对了，IOU过大降低置信度即可。
和NMS只差一行代码。
大致思路为：
M为当前得分最高框，bi 为待处理框，bi 和M的IOU越大，bi 的得分si 就下降的越厉害。

更进一步还有softer NMS，暂时没有详细了解。

参考资料
https://www.cnblogs.com/makefile/p/nms.html
https://zhuanlan.zhihu.com/p/89426063

mAP

P：准确率

AP ：不同召回率上的平均precision
单单一个precision不足以衡量系统的好坏，于是引入了AP（Average Precision）——不同召回率上的平均precision。
mAP：所有类别的AP平均值
参考资料
https://zhuanlan.zhihu.com/p/37910324

参考资料
[1] https://zhuanlan.zhihu.com/p/70387154
[2] https://www.cnblogs.com/ywheunji/p/10808989.html
[3] https://blog.csdn.net/wwwhp/article/details/83317738