令人“细思极恐”的Faster-R-CNN
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极市导读
每次回顾Faster R-CNN，都会发现一些没有注意到的细节。本文从编码实现的角度来解析 Faster R-CNN，先对网络的前向（forward）过程进行阐述，了解清楚Faster R-CNN是如何进行预测。然后详细阐述了Faster R-CNN的训练过程，主要解析了RPN和RoIHead的训练过程。
前言
每次回顾Faster R-CNN的相关知识（包括源码），都会发现之前没有注意到的一些细节，从而有新的收获，既惊恐又惊喜，可谓“细思极恐”！
Faster R-CNN可以算是深度学习目标检测领域的祖师爷了，至今许多算法都是在其基础上进行延伸和改进的，它的出现，可谓是开启了目标检测的新篇章，其最为突出的贡献之一是提出了 'anchor' 这个东东，并且使用 CNN 来生成region proposal（目标候选区域），从而真正意义上完全使用CNN 来实现目标检测任务（以往的架构会使用一些传统视觉算法如Selective Search来生成目标候选框，而 CNN仅用来提取特征或最后进行分类和回归）。
Faster R-CNN 由 R-CNN 和 Fast R-CNN发展而来，R-CNN是第一次将CNN应用于目标检测任务的家伙，它使用selective search算法获取目标候选区域（region proposal），然后将每个候选区域缩放到同样尺寸，接着将它们都输入CNN提取特征后再用SVM进行分类，最后再对分类结果进行回归，整个训练过程十分繁琐，需要微调CNN+训练SVM+边框回归，无法实现端到端。
Fast R-CNN则受到 SPP-Net 的启发，将全图（而非各个候选区域）输入CNN进行特征提取得到 feature map，然后用RoI Pooling将不同尺寸的候选区域（依然由selective search算法得到）映射到统一尺寸。另外，它用Softmax替代SVM用于分类任务，除最后一层全连接层外，分类和回归任务共享了网络权重。
而Faster R-CNN相对于其前辈Fast R-CNN的最大改进就是使用RPN来生成候选区域，摒弃了selective search算法，即完全使用CNN解决目标检测任务，同时整个过程都能跑在GPU上，之前selective search仅在CPU上跑，是耗时的一大瓶颈。
本文从编码实现的角度来解析 Faster R-CNN，先对网络的前向（forward）过程进行阐述，再回过头来看训练的细节，这样便于更好地理解。
源码是一位大佬写的，基于Pytorch框架，是Faster R-CNN的精炼版，作为学习和参考来说相当不错，我自己也撸了一遍，这里也附上大佬源码的链接：Faster R-CNN 精炼版。
一. Overview
除去复杂的理论知识不谈，从编程的角度来看，Faster R-CNN做的事情其实就是，“穷举”一张图片可能出现物体的位置，生成矩形框（计算位置和大小），计算这些框中出现物体的概率，选择概率高的，然后调整这些矩形框的位置与大小，并去除重叠度高的，最终得到一个个包含物体的矩形框。
如下为整体框架结构，结合上述过程来看，主要是三部分，Extrator进行特征提取、RPN 生成候选框、RoIHead对候选框进行分类并调整目标预测框的位置与大小。
二. 特征提取
最初的Faster R-CNN使用了预训练的VGG16作为backbone进行特征提取，实现方法是加载预训练模型，抽取并分离前面的卷积层和后面的全连接层，固定卷积层中部分层的权重，用作特征提取，而全连接层则给 RoIHead 用作分类和回归。
Feature Extractor 实现!
三. RPN(Region Proposal Network）
RPN 能够获得包含物体的区域，网络的后续部分便可基于这些区域做进一步的检测。
1. 使用anchor“穷举”目标物体所在区域
这里先介绍下anchor，这东东有点抽象，中文翻译是“锚”，让人容易觉得这是一个点，实际它是可能包含目标物体的矩形框。在目标检测任务中，通常会为每个像素点预设一个或多个面积大小和宽高比例不同的anchor，以此使得图像上密集铺满了许许多多anchor，从而覆盖到包含物体的所有位置区域。
backbone提取的特征图（记作 fm）相对于网络的输入图像尺寸缩小了16倍。因此，fm 中的1个像素点就相当于输入图像的16个像素点，或者说，fm中的1x1区域覆盖了输入图像的16x16区域。这样，fm中的每个像素点都对应地覆盖了输入图像的区域。
不难想象，如果一个像素点仅对应一个anchor，难免会覆盖不到或者覆盖不全目标物体。因此，Faster R-CNN 对每个点对应的anchor进行了尺寸缩放和形变，前者对应矩形面积，后者对应矩形长宽比例，每种尺寸对应3种长宽比，共设置3种尺寸，3种尺寸分别是128x128、256x256、512x512，3种长宽比分别是 1:1、1:2、2:1，这样一来，一个点就对应9个anchor，其中每个 anchor 的形状和大小都不完全相同。
具体的实现方法是，先计算fm中的一个点（通常是左上角）对应的9个anchor的中心点坐标和长宽，其它点对应的anchor则通过平移计算得出。
特征图左上角的像素点对应的9个anchor位置
不知道诸位客观发现了没，在上图计算anchor_base坐标时，有可能出现负数！比如对于特征图左上角的那个点(0,0)，其作为anchor中心点，由于下采样了16倍，那么就对应于输入图像16x16的区域，于是映射到输入图像上anchor中心点就是(8,8)。
考虑anchor尺寸倍数为8且长宽比为1：1的情况，此时anchor面积为(16x8) x (16x8)=128x128，长宽各为128，但中心点却是(8,8)，按此计算，左上角点坐标就是 (8 - 128/2, 8-128/2) = (-56, -56)。莫方，在以下第3小节讲解生成RoI的部分会涉及这部分的处理。
2. 在每个特征点上计算分类与回归结果
这里的分类是二分类，仅仅区分前景和背景，具体做法是，先将 fm 进行3x3卷积，进一步提取特征，然后使用1x1卷积将通道数映射到18=9x2，对应9个anchor的两个类别，然后再将通道这个维度分割多一个维度，使得最后一维是2，代表前景和背景，最后使用softmax计算概率。
回归的做法是使用1x1卷积将通道数映射到36=9x4，对应9个anchor的位置与大小。注意，这里回归的4个量分别是矩形框中心点与anchor中心点横、纵坐标的位移 以及 矩形框长宽与 anchor 长宽的比例。
3.对分类与回归结果进行后处理，生成 RoI（Region of Interest）
这部分是One-Stage的最后阶段，也称作 Proposal Creator（Proposal Layer），会对RPN输出的分类和回归结果进行后处理（如NMS等），得到网络认为包含物体的区域，称为感兴趣的候选区域——RoI。
至此，其实已经完成了检测任务，因为已经得到了包含物体的区域（bbox），只不过没有对物体类别进行细分，仅区分了前、背景。另外，由于anchor的位置和大小是人工预设的，且用于训练的样本有限，因此此处得到的检测结果可能并不够精准。
具体做法是，先将回归得到的候选区域的宽、高限制在输入图像尺寸范围内以及剔除尺寸过小（小于16x16，因为特征图中一个像素点就已经代表了输入图像16x16的区域。
下图中的scale是输入网络中的图像与原图之间的缩放系数）的，然后将它们按前景概率排序，保留前面的一批（训练时是12000，预测时是6000），接着使用非极大值抑制进一步剔除掉可能重复的，最后从剔除后的结果中保留剩下的一批（训练时是2000，预测时是300）。
四. RolHead
RPN 生成的 RoI 仅仅区分了前景和背景，并没有区分出物体的具体类别。因此，RoIHead 就是对 RoI 进一步分类，并且调整矩形框的位置和大小，使得预测结果更精细。
1. RoI Pooling
顾名思义，就是对 RoI 进行池化操作，具体做法是将每个RoI缩放到特征图尺寸范围内对应的区域，然后将RoI平均划分为同样数量的子区域(bin)，对每个bin实施（最大/平均）池化操作，这样就使得每个bin都映射为一个像素值，由于不同尺寸的RoI都划分了同样数量的bin，因此最终使得所有RoI都变为同样大小，这里是7x7（也就是对每个RoI都划分了7x7个bin）。
RPN 生成的 RoI 尺寸是对应于输入图像的，为了后面接全连接层生成预测结果，因此需要使用RoI Pooling将不同尺寸的各个RoI都映射至相同大小。
这里提出 RoI Pooling 会产生的问题：
1.1 两次量化损失
在将RoI映射至特征图尺寸范围的过程中，下采样取整操作（比如200x200的区域经16倍下采样后映射为12 x 12）会产生一次量化损失；接着，假设最终需要生成的尺寸大小为nxn，则需将RoI划分nxn个bin，在这个划分过程中又会产生一次量化损失（比如对12x12大小的RoI划分成7x7个bin，每个bin的平均尺寸是
，那么就会造成有些bin的大小是
，而另一些bin的大小则是
），于是后来就有人提出如RoI Align和Precise RoI Pooling等方法进行改进，这里就不展开叙述了。
1.2 只有少数点的loss在反向传播中贡献了梯度
由于每个bin都由其中像素值最大的一点代表，因此在这部分的反向传播中，每个bin只有一个点的loss贡献了梯度，忽略了大部分点。
2. RoI 分类与回归
将RoI Pooling后的结果展开（flatten）成 vector，输入全连接层进行分类和回归，对应输出的神经元个数分别为物体类别数（记为n_classes）以及每个类别物体对应的bbox（n_classes x 4）。
注意，这里回归的结果是预测框中心点相对于正样本RoIs（在后文训练部分会讲解如何筛选正样本）中心点坐标的位移以及两者长宽的比例，并且是归一化（减去均值除以标准差）后的结果。
五. 后处理生成预测结果
RoIHead的输出还不是预测结果的最终形态，为了产生最终的预测结果，还需要做一些后处理。
具体做法是，将网络输出缩放至原图尺寸，注意是原图，不是输入网络的图像，在原图与输入图像之间是有缩放操作的。
接着对回归的结果去归一化（乘标准差加均值），结合RoIs的位置和大小计算出bbox的位置（左上角坐标和右下角坐标），并且裁剪到原图尺寸范围内。
然后，选择置信度大于阀值的矩形框，最后再使用非极大值抑制（NMS）剔除重叠度高的bbox得到最终的结果。
注意，这里在进行置信度筛选以及NMS时是分别对每个物体单独类别实施的，不包括背景类（下图range()从1开始）。
那么就可能会发生这样的情况：一个RoI对应不同类别的预测结果都被保留下来（要知道RoIHead的输出是每个RoI在不同类别上的分类和回归结果），这里可以说是Faster R-CNN优于YOLOv1的地方，因为YOLOv1的一个格子仅能预测一个物体，但同时Faster R-CNN单独在各个类别进行NMS势必会影响推断速度，所以说从这方面看这里也是弱于YOLOv1的地方。
速度与质量，鱼与熊掌皆不可得~
六. 训练
通过以上部分，相信朋友们已经清楚了Faster R-CNN是如何进行预测的了，但是，我们还没有开始将它是如何训练的，只有进行了有效的训练，模型才能产生可靠的预测结果，重头戏来咯！
训练的部分主要包含三个：Backbone、RPN 以及 RoIHead。Backbone 通常会采用在ImageNet上预训练的权重然后进行微调，因此这里主要解析RPN和RoIHead的训练过程，最初的实现将这两部分开训练，后来的大多数实现已使用联合训练的方式。
1. 筛选anchor样本，指导RPN训练
由于anchor数量太多，因此需要筛选部分anchor样本用于指导RPN训练。anchor总样本是Backbone输出特征图上每点对应的9个anchor，从中进行筛选目标样本，具体做法是：
1). 将坐标值不在输入图像尺寸范围内的anchor的标签记为-1；
2). 将与ground truth（gt）的IoU小于0.3的anchor作为负样本，标签记为0；
3). 将与每个gt的IoU最大的anchor作为正样本，标签记为1；
4). 将与gt的IoU不小于0.7的anchor作为正样本，标签记为1；
5). 限制正样本与负样本总数为256个，正负样本比为1:1，若其中某一类样本超过128个，则随机从中选择多出的样本将其标签记为-1；
6). 仅将标签为0和1的样本用于训练，忽略标签为-1的anchor
正样本和负样本用作计算分类损失，而回归的损失仅对正样本计算。注意，这里回归的目标是gt相对于正样本anchor中心点坐标的位移以及两者长宽的比例，正因如此，前面部分谈到过RPN回归的结果是候选区域相对于anchor中心点坐标的位移以及两者长宽的比例。
这种方式是将预测结果和gt都与anchor做比较，训练目标是让预测结果与anchor的差别和gt与anchor的差别一致。
最后总结下，RPN会在特征图每点都输出9x2个分类结果和9x4个回归结果，分别与每点的9个anchor的分类标签和回归标签对应（RPN是二分类，仅区分前、背景），但并不是会对每个点都计算损失，最多仅有256个点会参与损失计算。
因为通过上述可知，仅有256个anchor样本供训练使用，而其中还可能有多个anchor对应到一个特征像素点上。注意下，这部分的训练是与ProposalCreator并行的分支，并不是拿ProposalCreator的输出进行训练！
另外，这里有个问题引发了我的思考：在前文讲RPN部分的第1节中，我们提到计算anchor坐标时可能出现负数，那么在筛选训练样本时它们就势必会被剔除掉。
如果我们将计算时anchor的坐标clip到输入图像尺寸范围内，那么就有可能引入更多有效的训练样本，甚至是优质样本，提高召回率是肯定的，精确率的话是不是也有可能提高？
2. 筛选RoI样本，指导检测器训练
这部分是从Proposal Creator （RPN中的Proposal Layer）产生的RoIs中筛选出128个目标样本，其中正负样本比为1:3，用于指导检测器（RoIHead）的训练。
具体方法是，计算每个RoI与每个gt的IoU，若某个RoI与所有gt计算所得的最大IoU不小于0.5，则为正样本，并记录下与此对应的gt，打上相应的类别标签，同时限制正样本数量不超过32个。
相对地，若某个RoI与所有gt的最大IoU小于0.5，则标记为负样本，类别标签为0，同时限制负样本数量不超过96个，正负样本的类别标签用作指导分类训练。最后，计算gt相对于RoI样本的中心点坐标位移和两者长宽比，并且归一化（减均值除标准差），用于指导回归训练。
在实际的代码实现中，将GT也一并加入了RoIs样本中：
仔细想想，感觉挺有道理，因为RoIs来源于RPN的输出，而RPN的结果并不一定可靠，特别是在训练初期，几乎就是随机输出，可能连一个正样本都没有，加入GT一方面弥补了正样本数量的不足，另一方面还提供了更优质的正样本，怎么说它也是GT啊，还有比它更正的么！？
另外，虽然RoIs众多，但仅有128个样本进行了训练，训练时仅将这128个训练样本（Proposal Target Creator的输出）输入到RoIHead，而测试时则是将RPN（Proposal Creator）的输出直接输入到RoIHead。
最后注意下，RPN的回归目标是没有归一化的，而RoIHead的有。
3. Loss函数的设计
这里使用了两种loss函数，CrossEntropy Loss（交叉熵损失） 用于分类，Smooth L1 Loss 用于回归，注意在RPN和RoIHead中，回归损失均只针对正样本计算。
这里，Smooth L1 Loss 的实现有个技巧，通过给正负样本设置不同的损失权重，其中负样本权重为0，正样本权重为1，这样就可以忽略负样本的回归损失。
通过上图可看到，在计算回归损失的均值时，分母将负样本（标签为0）数量也算上了，为何呢？明明只计算了正样本的回归损失啊.. 现在，“明明”就来告诉你！
可以拿RPN中loss的计算举例，其实，loss的原公式是这样的：
其中，
表示mini-batch中采集的样本数量(RPN中默认为256个)，
表示anchor位置的数量，即feature map中特征点的数量（约2400个），λ是平衡参数，相当于加权(大于一时给回归loss加权，小于1时给分类加权)，论文中默认为10。
，于是就用
代替
了。
所以，在计算回归损失的时候，系数的分母就使用正负样本的总数了。
七. KeyPoints
1. Anchor 与 RoI 傻傻分不清楚？
它们都是矩形框，通常以（左上角坐标、右下角坐标）或者（中心点坐标、长、宽）表示。不同的是，anchor是预设的可能覆盖目标物体的区域，而RoI是网络产生的更为可靠的目标候选区域。
可以这么看，anchor 是“死”的，是人为设置的(当然，后来的一些算法框架能够通过聚类得出anchor，如YOLO)，通过穷举它来尽可能覆盖目标物体。因此需要网络通过训练来进一步筛选和调整，产生RoI。在RoIHead部分，可认为RoIs充当了anchor的作用。
另外，在Faster R-CNN的实现中，anchor和RoI的尺寸对应的是网络的输入图像，而原图像和输入图像之间做了尺寸缩放，如以下代码部分可看到一个'scale'变量，在预测的时候注意需要把结果根据缩放系数转换对应到原图上。
输入图像与原图之间进行了缩放
2. 回归结果为何不是bbox的坐标？
本文一直强调，无论是在RPN还是RoIHead中，回归结果都不是bounding box的坐标，而是相对（正样本anchor、RoI）中心点坐标的位移和长宽比。为方便叙述，这里把两者分别称之为offset和scale。
直观地看，直接回归bounding box的坐标更方便，免去了传参（RPN中需要传入anchor，RoIHead中需要传入RoI）与坐标计算。
但是，如果回归的是坐标，那么在计算损失时，大尺寸bbox的坐标误差占的比重可能就会比小尺寸bbox之间的坐标误差大得多，从而使得模型更偏向于学习大bbox，从而导致小目标的检测效果不佳。
那么如何计算offset和scale呢？拿上图RPN的例子来说，对于预测框（蓝色框），offset等于其中心点与anchor（红色框）中心点坐标差除以anchor边长，scale等于两者的长宽比，并且使用log函数，log函数的作用也是一定程度上抑制了大bbox之间的误差占比盖过小bbox（拉近了大、小bbox之间的误差水平），gt（绿色框）的计算方法类似。
在训练过程中，如果我们希望预测框接近于gt，那么它们与anchor之间的offset和scale都应该尽可能接近，于是将gt与anchor的offset与scale作为回归的目标。
转换成坐标的时候，基于上述公式逆向计算即可。
3.3 个 Creator 分别做了什么？
Anchor Target Creator：对特征图上每点对应的anchor样本进行筛选（尺寸、IoU、样本数量），为 RPN提供256个训练样本，正负样本比为1:1，此处是二分类；
Proposal Creator：对RPN产生的RoI进行筛选（尺寸、置信度、数量、NMS），产生大约2000个RoIs；
Proposal Target Creator：从Proposal Creator产生的RoIs中筛选（数量和IoU）128个目标样本以指导检测头部（RoIHead）训练，正负样本比为1:3，此处是多分类。
Anchor Target Creator 和 Proposal Target Creator 仅在训练过程中使用，而 Proposal Creator 在训练和测试过程中都会用到，但它们都不涉及反向传播，因此这部分在不同深度学习框架上可以方便地通过numpy迁移实现。
4.4 个损失的作用是什么？
· RPN分类损失：区分anchor是前景还是背景，从而让模型能够学会区分前景和背景；
· RPN回归损失：调整anchor的位置和形状，使其更接近于gt；
· RoI分类损失：区分RoI属于哪个物体类别（这里是21类，包括背景）；
· RoI回归损失：调整RoI的位置和形状，使其更接近于gt、预测结果更精细。
由上述可知，其实在RPN输出的时候，就已经完成了“检测”任务，即能够把目标物体框出来，只不过没有对这些物体类别进行细分而已，并且框出来的位置可能不够精准。而RoIHead可看作是对RPN结果的调优。
结语
从整体框架上来看，Faster R-CNN主要包含Feature Extractor（特征提取）、RPN（产生候选区域）、RoIHead（检测器）三部分，理论看似简单，但是代码实现起来真不容易。
自己在学习Faster R-CNN的时候，看了不少资料，也做了相关笔记，但觉得没有真正学懂，有些点总是记不牢，不能够在脑海里很好地复现。于是就决定撸一遍源码，这样之后总算是踏实下来了。
作为深度学习目标检测领域中具有重大意义的算法，手撸一遍源码还是很有必要的，如果只是知道它的原理，那么并不真正代表会了，一个知识点你听懂了和你能够把它复现甚至改进是完全两码事，实践才是检验成果的硬道理！
作者简介
CW，广东深圳人，毕业于中山大学（SYSU）数据科学与计算机学院，毕业后就业于腾讯计算机系统有限公司技术工程与事业群（TEG）从事Devops工作，期间在AI LAB实习过，实操过道路交通元素与医疗病例图像分割、视频实时人脸检测与表情识别、OCR等项目。
目前也有在一些自媒体平台上参与外包项目的研发工作，项目专注于CV领域（传统图像处理与深度学习方向均有）。