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计算机视觉——典型的目标检测算法

干货 深度学习时代的目标检测算法

各位老铁们好,相信很多人对计算机视觉——典型的目标检测算法(OverFeat算法)(二)都不是特别的了解,因此呢,今天就来为大家分享下关于计算机视觉——典型的目标检测算法(OverFeat算法)(二)以及手机视觉检测算法有哪些的问题知识,还望可以帮助大家,解决大家的一些困惑,下面一起来看看吧!

本文目录

计算机视觉——典型的目标检测算法(Fast R-CNN算法)(五)计算机视觉——典型的目标检测算法(OverFeat算法)(二)计算机视觉——典型的目标检测算法(Fast R-CNN算法)(五)

【嵌牛导读】目标检测在现实中的应用很广泛,我们需要检测数字图像中的物体位置以及类别,它需要我们构建一个模型,模型的输入一张图片,模型的输出需要圈出图片中所有物体的位置以及物体所属的类别。在深度学习浪潮到来之前,目标检测精度的进步十分缓慢,靠传统依靠手工特征的方法来提高精度已是相当困难的事。而ImageNet分类大赛出现的卷积神经网络(CNN)——AlexNet所展现的强大性能,吸引着学者们将CNN迁移到了其他的任务,这也包括着目标检测任务,近年来,出现了很多目标检测算法。

计算机视觉之目标检测

【嵌牛鼻子】计算机视觉

【嵌牛提问】如何理解目标检测算法——Fast R-CNN

【嵌牛正文】

    为克服SPP-Net存在的问题,2015年Girshick等提出基于边界框和多任务损失分类的Fast R-CNN[31]算法。该算法将SPP层简化,设计出单尺度的ROI Pooling池化层结构;将整张图像的候选区域采样成固定大小,生成特征图后作SVD分解,通过RoI Pooling层得到Softmax的分类得分和BoundingBox外接矩形框的窗口回归两个向量;用Softmax代替SVM提出多任务损失函数思想,将深度网络和SVM分类两个阶段整合,即将分类问题和边框回归问题进行合并。

算法详解:

Fast R-CNN的流程图如下,网络有两个输入:图像和对应的region proposal。其中region proposal由selective search方法得到,没有表示在流程图中。对每个类别都训练一个回归器,且只有非背景的region proposal才需要进行回归。

ROI pooling:ROI Pooling的作用是对不同大小的region proposal,从最后卷积层输出的feature map提取大小固定的feature map。简单讲可以看做是SPPNet的简化版本,因为全连接层的输入需要尺寸大小一样,所以不能直接将不同大小的region proposal映射到feature map作为输出,需要做尺寸变换。在文章中,VGG16网络使用H=W=7的参数,即将一个h*w的region proposal分割成H*W大小的网格,然后将这个region proposal映射到最后一个卷积层输出的feature map,最后计算每个网格里的最大值作为该网格的输出,所以不管ROI pooling之前的feature map大小是多少,ROI pooling后得到的feature map大小都是H*W。

因此可以看出Fast RCNN主要有3个改进:1、卷积不再是对每个region proposal进行,而是直接对整张图像,这样减少了很多重复计算。原来RCNN是对每个region proposal分别做卷积,因为一张图像中有2000左右的region proposal,肯定相互之间的重叠率很高,因此产生重复计算。2、用ROI pooling进行特征的尺寸变换,因为全连接层的输入要求尺寸大小一样,因此不能直接把region proposal作为输入。3、将regressor放进网络一起训练,每个类别对应一个regressor,同时用softmax代替原来的SVM分类器。

在实际训练中,每个mini-batch包含2张图像和128个region proposal(或者叫ROI),也就是每张图像有64个ROI。然后从这些ROI中挑选约25%的ROI,这些ROI和ground truth的IOU值都大于0.5。另外只采用随机水平翻转的方式增加数据集。

测试的时候则每张图像大约2000个ROI。

损失函数的定义是将分类的loss和回归的loss整合在一起,其中分类采用log loss,即对真实分类(下图中的pu)的概率取负log,而回归的loss和R-CNN基本一样。分类层输出K+1维,表示K个类和1个背景类。

这是回归的loss,其中t^u表示预测的结果,u表示类别。v表示真实的结果,即bounding box regression target。

采用SVD分解改进全连接层。如果是一个普通的分类网络,那么全连接层的计算应该远不及卷积层的计算,但是针对object detection,Fast RCNN在ROI pooling后每个region proposal都要经过几个全连接层,这使得全连接层的计算占网络的计算将近一半,如下图,所以作者采用SVD来简化全连接层的计算。另一篇博客链接讲的R-FCN网络则是对这个全连接层计算优化的新的算法。

稍微总结下训练和测试的结构,如下面两个图,对算法的理解会更清晰。

test结构图在ROI Pooling层是怎么输出的画得比较容易理解。

计算机视觉——典型的目标检测算法(OverFeat算法)(二)

【嵌牛导读】目标检测在现实中的应用很广泛,我们需要检测数字图像中的物体位置以及类别,它需要我们构建一个模型,模型的输入一张图片,模型的输出需要圈出图片中所有物体的位置以及物体所属的类别。在深度学习浪潮到来之前,目标检测精度的进步十分缓慢,靠传统依靠手工特征的方法来提高精度已是相当困难的事。而ImageNet分类大赛出现的卷积神经网络(CNN)——AlexNet所展现的强大性能,吸引着学者们将CNN迁移到了其他的任务,这也包括着目标检测任务,近年来,出现了很多目标检测算法。

【嵌牛鼻子】计算机视觉

【嵌牛提问】如何理解目标检测算法——OverFeat

【嵌牛正文】

一、深度学习的典型目标检测算法

深度学习目标检测算法主要分为双阶段检测算法和单阶段检测算法,如图1所示。

双阶段目标检测算法先对图像提取候选框,然后基于候选区域做二次修正得到检测结果,检测精度较高,但检测速度较慢;单阶段目标验测算法直接对图像进行计算生成检测结果,检测速度快,但检测精度低。

1、双阶段目标检测算法

双阶段目标检测方法主要通过选择性搜索(Selective Search)或者Edge Boxes等算法对输入图像选取可能包含检测目标的候选区域(Region Proposal),再对候选区域进行分类和位置回归以得到检测结果。

1.1 OverFeat算法

《OverFeat: Integrated Recognition, Localization and Detection using Convolutional Networks》

Sermanet 等改进AlexNet提出 OverFeat算法。该算法结合AlexNet通过多尺度滑动窗口实现特征提取功能,并且共享特征提取层,应用于图像分类、定位和目标检测等任务。

关键技术:

1、FCN(全卷积神经网络)

对于一个各层参数结构都设计好的网络模型,要求输入图片的尺寸是固定的(例如,Alexnet要求输入图片的尺寸为227px*227px)。如果输入一张500*500的图片,希望模型仍然可以一直前向传导,即一个已经设计完毕的网络,可以输入任意大小的图片,这就是FCN。

FCN的思想在于:

1、从卷积层到全连接层,看成是对一整张图片的卷积层运算。

2、从全连接层到全连接层,看成是采用1*1大小的卷积核,进行卷积层运算。

如上图所示,绿色部分代表卷积核大小。假设一个CNN模型,其输入图片大小是14*14,通过第一层卷积后得到10*10大小的图片,然后接着通过池化得到了5*5大小的图片。像但是对于像素值为5*5的图片到像素值为1*1的图片的过程中:

(1)传统的CNN:如果从以前的角度进行理解的话,那么这个过程就是全连接层,我们会把这个5*5大小的图片,展平成为一维向量进行计算。

(2)FCN:FCN并不是把5*5的图片展平成一维向量再进行计算,而是直接采用5*5的卷积核,对一整张图片进行卷积运算。

二者本质上是相同的,只是角度不同,FCN把这个过程当成了对一整张特征图进行卷积,同样,后面的全连接层也是把它当做是以1*1大小的卷积核进行卷积运算。

当输入一张任意大小的图片,就需要利用以上所述的网络,例如输入一张像素为16*16的图片:

根据上图,该网络最后的输出是一张2*2的图片。可见采用FCN网络可以输入任意大小的图片。同时需要注意的是网络最后输出的图片大小不在是一个1*1大小的图片,而是一个与输入图片大小息息相关的一张图片。

Overfeat就是把采用FCN的思想把全连接层看成了卷积层,在网络测试阶段可以输入任意大小的图片。

2、offset max-pooling

简单起见,不用二维的图像作为例子,而是采用一维作为示例:

如上图所示,在X轴上有20个神经元,并且选择池化size=3的非重叠池化,那么根据之前所学的方法应该是:对上面的20个神经元,从1位置开始进行分组,每3个连续的神经元为一组,然后计算每组的最大值(最大池化),19、20号神经元将被丢弃,如下图所示:

或者可以在20号神经元后面,添加一个数值为0的神经元编号21,与19、20成为一组,这样可以分成7组:[1,2,3],[4,5,6]……,

[16,17,18],[19,20,21],最后计算每组的最大值。

如果只分6组,除了以1作为初始位置进行连续组合之外,也可以从位置2或者3开始进行组合。也就是说其实有3种池化组合方法:

A、△=0分组:[1,2,3],[4,5,6]……,[16,17,18];

B、△=1分组:[2,3,4],[5,6,7]……,[17,18,19];

C、△=2分组:[3,4,5],[6,7,8]……,[18,19,20];

对应图片如下:

以往的CNN中,一般只用△=0的情况,得到池化结果后,就送入了下一层。但是该文献的方法是,把上面的△=0、△=1、△=2的三种组合方式的池化结果,分别送入网络的下一层。这样的话,网络在最后输出的时候,就会出现3种预测结果了。

前面所述是一维的情况,如果是2维图片的话,那么(△x,△y)就会有9种取值情况(3*3);如果我们在做图片分类的时候,在网络的某一个池化层加入了这种offset池化方法,然后把这9种池化结果,分别送入后面的网络层,最后的图片分类输出结果就可以得到9个预测结果(每个类别都可以得到9种概率值,然后我们对每个类别的9种概率,取其最大值,做为此类别的预测概率值)。

算法原理:

文献中的算法,就是把这两种思想结合起来,形成了文献最后测试阶段的算法。

1、论文的网络架构与训练阶段

(1)网络架构

对于网络的结构,文献给出了两个版本——快速版、精确版,一个精度比较高但速度慢;另外一个精度虽然低但是速度快。下面是高精度版本的网络结构表相关参数:

表格参数说明:

网络输入:图片大小为221px*221px;

网络结构方面基本上和AlexNet相同,使用了ReLU激活,最大池化。不同之处在于:(a)作者没有使用局部响应归一化层;(b)然后也没有采用重叠池化的方法;(c)在第一层卷积层,stride作者是选择了2,这个与AlexNet不同(AlexNet选择的跨步是4,在网络中,如果stride选择比较大得话,虽然可以减少网络层数,提高速度,但是却会降低精度)。

需要注意的是把f7这一层,看成是卷积核大小为5*5的卷积层,总之就是需要把网络看成前面所述的FCN模型,去除了全连接层的概念,因为在测试阶段可不是仅仅输入221*221这样大小的图片,在测试阶段要输入各种大小的图片,具体请看后面测试阶段的讲解。

(2)网络训练

训练输入:对于每张原图片为256*256,然后进行随机裁剪为221*221的大小作为CNN输入,进行训练。

优化求解参数设置:训练的min-batchs选择128,权重初始化选择高斯分布的随机初始化:

然后采用随机梯度下降法,进行优化更新,动量项参数大小选择0.6,L2权重衰减系数大小选择10-5次方。学习率初始化值为0.05,根据迭代次数的增加,每隔几十次的迭代后,就把学习率的大小减小一半。

然后就是DropOut,这个只有在最后的两个全连接层,才采用dropout,dropout比率选择0.5。

2、网络测试阶段

在Alexnet的文献中,预测方法是输入一张图片256*256,然后进行multi-view裁剪,也就是从图片的四个角进行裁剪,还有就是一图片的中心进行裁剪,这样可以裁剪到5张224*224的图片。然后把原图片水平翻转一下,再用同样的方式进行裁剪,又可以裁剪到5张图片。把这10张图片作为输入,分别进行预测分类,在后在softmax的最后一层,求取个各类的总概率,求取平均值。

然而Alexnet这种预测方法存在两个问题:

一方面这样的裁剪方式,把图片的很多区域都给忽略了,这样的裁剪方式,刚好把图片物体的一部分给裁剪掉了;

另一方面,裁剪窗口重叠存在很多冗余的计算,像上面要分别把10张图片送入网络,可见测试阶段的计算量还是较大的。

Overfeat算法:

训练完上面所说的网络之后,在测试阶段不再是用一张221*221大小的图片了作为网络的输入,而是用了6张大小都不相同的图片,也就是所谓的多尺度输入预测,如下表格所示:

当网络前向传导到layer 5的时候,就利用了前面所述的FCN、offset pooling这两种思想的相结合。现以输入一张图片为例(6张图片的计算方法都相同),讲解layer 5后面的整体过程,具体流程示意图如下:

步骤一:

对于某个尺度的图片,经过前五层的卷积后得到特征图。上图中特征图的分辨率是20x23,256个通道。

步骤二:

对于该特征图,重复多次使用非重叠的池化,每次池化的偏置不同,有行偏置和列偏置。上图中偏置池化3次,偏置分别为为(0,1,2)。这就是offset pooling,也被称为fine stride。offset pooling得到的特征图的维度为6x7x3x3xD,其中6x7是特征图的分辨率,3x3是偏置池化的次数,D是通道数。上图中是以1维显示的。

步骤三:

池化后得到的特征图将被送入分类器。

步骤四:

分类器的输入是的5x5xD,输出是C(类别数)维向量。但是offset pooling后得到的特征图并不是5x5xD,比如上图中的特征图大小为6x7xD,因此分类器以滑动窗口的方式应用在特征图上,每个滑动窗口经过分类器输出一个C维向量。比如上图中输入的6x7xD的特征图最终得到2x3xC的输出,其中2x3是滑动窗口的个数。

步骤五:

而2x3xC只是一组偏置池化的输出,总的输出为2x3x3x3xC,将输出的张量reshape,得到6x9xC输出张量。最终输出分类张量为3d张量,即两个分辨率维度 x C维。

然后需要在后面把它们拉成一维向量,这样在一个尺度上,可以得到一个C*N个预测值矩阵,每一列就表示图片属于某一类别的概率值,并且求取每一列的最大值,作为本尺度的每个类别的概率值。

最后一共用了6种不同尺度(文献使用了12张,另外6张是水平翻转的图片)进行做预测,然后把这六种尺度结果再做一个平均,作为最最后的结果。

从上面过程可以看到整个网络分成两部分:layer 1~5这五层称之为特征提取层;layer 6~output称之为分类层。

六、定位任务

用于定位任务的时候,就把分类层(上面的layer 6~output)给重新设计一下,把分类改成回归问题,然后在各种不同尺度上训练预测物体的bounding box。

OK,关于计算机视觉——典型的目标检测算法(OverFeat算法)(二)和手机视觉检测算法有哪些的内容到此结束了,希望对大家有所帮助。

目标检测 一 Two stage R CNN SPP Net Fast R CNN Faster R CNN R FCN

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