基于深度學習算法的一系列目標檢測算法

目前，基于深度學習算法的一系列目標檢測算法大致可以分為兩大流派：

兩步走（two-stage）算法：先產(chǎn)生候選區(qū)域然后再進行CNN分類(RCNN系列)

一步走（one-stage）算法：直接對輸入圖像應(yīng)用算法并輸出類別和相應(yīng)的定位(YOLO系列)

1?YOLO算法的提出

在圖像的識別與定位中，輸入一張圖片，要求輸出其中所包含的對象，以及每個對象的位置（包含該對象的矩形框）。

對象的識別和定位，可以看成兩個任務(wù)：找到圖片中某個存在對象的區(qū)域，然后識別出該區(qū)域中具體是哪個對象。對象識別這件事（一張圖片僅包含一個對象，且基本占據(jù)圖片的整個范圍），最近幾年基于CNN卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各種方法已經(jīng)能達到不錯的效果了。所以主要需要解決的問題是，對象在哪里。最簡單的想法，就是遍歷圖片中所有可能的位置，地毯式搜索不同大小，不同寬高比，不同位置的每個區(qū)域，逐一檢測其中是否存在某個對象，挑選其中概率最大的結(jié)果作為輸出。顯然這種方法效率太低。RCNN開創(chuàng)性的提出了候選區(qū)(Region Proposals)的方法，先從圖片中搜索出一些可能存在對象的候選區(qū)（Selective Search），大概2000個左右，然后對每個候選區(qū)進行對象識別，總體來說，RCNN系列依然是兩階段處理模式：先提出候選區(qū)，再識別候選區(qū)中的對象，大幅提升了對象識別和定位的效率。不過RCNN的速度依然很慢，其處理一張圖片大概需要49秒。因此又有了后續(xù)的Fast RCNN 和 Faster RCNN，針對 RCNN的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和候選區(qū)的算法不斷改進，F(xiàn)aster RCNN已經(jīng)可以達到一張圖片約0.2秒的處理速度。

R-CNN系列雖然準確率比較高，但是即使是發(fā)展到Faster R-CNN，檢測一張圖片如下圖所示也要7fps(原文為5fps)，為了使得檢測的工作能夠用到實時的場景中，提出了YOLO。

2 算法的簡介

YOLO意思是You Only Look Once，創(chuàng)造性的將候選區(qū)和對象識別這兩個階段合二為一，看一眼圖片（不用看兩眼哦）就能知道有哪些對象以及它們的位置。

實際上，YOLO并沒有真正去掉候選區(qū)，而是采用了預(yù)定義的候選區(qū)（準確點說應(yīng)該是預(yù)測區(qū)，因為并不是Faster RCNN所采用的Anchor）。也就是將圖片劃分為 7*7=49 個網(wǎng)格（grid），每個網(wǎng)格允許預(yù)測出2個邊框（bounding box，包含某個對象的矩形框），總共 49*2=98 個bounding box。可以理解為98個候選區(qū)，它們很粗略的覆蓋了圖片的整個區(qū)域。

RCNN雖然會找到一些候選區(qū)，但畢竟只是候選，等真正識別出其中的對象以后，還要對候選區(qū)進行微調(diào)，使之更接近真實的bounding box。這個過程就是邊框回歸：將候選區(qū)bounding box調(diào)整到更接近真實的bounding box。既然反正最后都是要調(diào)整的，干嘛還要先費勁去尋找候選區(qū)呢，大致有個區(qū)域范圍就行了，所以YOLO就這么干了。

邊框回歸為什么能起作用，本質(zhì)上是因為分類信息中已經(jīng)包含了位置信息。就像你看到一只貓的臉和身體，就能推測出耳朵和屁股的位置。

?3 算法的結(jié)構(gòu)

去掉候選區(qū)這個步驟以后，YOLO的結(jié)構(gòu)非常簡單，就是單純的卷積、池化最后加了兩層全連接。單看網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的話，和普通的CNN對象分類網(wǎng)絡(luò)幾乎沒有本質(zhì)的區(qū)別，最大的差異是最后輸出層用線性函數(shù)做激活函數(shù)，因為需要預(yù)測bounding box的位置（數(shù)值型），而不僅僅是對象的概率。所以粗略來說，YOLO的整個結(jié)構(gòu)就是輸入圖片經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變換得到一個輸出的張量，如下圖所示。

4 輸入輸出映射關(guān)系

因為只是一些常規(guī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所以，理解YOLO的設(shè)計的時候，重要的是理解輸入和輸出的映射關(guān)系。

參考圖5，輸入就是原始圖像，唯一的要求是縮放到448*448的大小。主要是因為YOLO的網(wǎng)絡(luò)中，卷積層最后接了兩個全連接層，全連接層是要求固定大小的向量作為輸入，所以倒推回去也就要求原始圖像有固定的尺寸。那么YOLO設(shè)計的尺寸就是448*448。輸出是一個 7*7*30 的張量（tensor）。根據(jù)YOLO的設(shè)計，輸入圖像被劃分為 7*7 的網(wǎng)格（grid），輸出張量中的 7*7 就對應(yīng)著輸入圖像的 7*7 網(wǎng)格?；蛘呶覀儼?7*7*30 的張量看作 7*7=49個30維的向量，也就是輸入圖像中的每個網(wǎng)格對應(yīng)輸出一個30維的向量。參考上面圖5，比如輸入圖像左上角的網(wǎng)格對應(yīng)到輸出張量中左上角的向量。

要注意的是，并不是說僅僅網(wǎng)格內(nèi)的信息被映射到一個30維向量。經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對輸入圖像信息的提取和變換，網(wǎng)格周邊的信息也會被識別和整理，最后編碼到那個30維向量中。

具體來看每個網(wǎng)格對應(yīng)的30維向量中包含了哪些信息。

① 20個對象分類的概率

因為YOLO支持識別20種不同的對象（人、鳥、貓、汽車、椅子等），所以這里有20個值表示該網(wǎng)格位置存在任一種對象的概率。也對應(yīng)為20個object條件概率。

② 2個bounding box的位置

每個bounding box需要4個數(shù)值來表示其位置，(Center_x,Center_y,width,height)，即(bounding box的中心點的x坐標，y坐標，bounding box的寬度，高度)，2個bounding box共需要8個數(shù)值來表示其位置。

③ 2個bounding box的置信度

bounding box的置信度 = 該bounding box內(nèi)存在對象的概率 * 該bounding box與該對象實際bounding box的IOU, IOU=交集部分面積/并集部分面積，2個box完全重合時IOU=1，不相交時IOU=0。

綜合來說，一個bounding box的置信度Confidence意味著它 是否包含對象且位置準確的程度。置信度高表示這里存在一個對象且位置比較準確，置信度低表示可能沒有對象 或者 即便有對象也存在較大的位置偏差。作為監(jiān)督學習，我們需要先構(gòu)造好訓(xùn)練樣本，才能讓模型從中學習。對于一張輸入圖片，其對應(yīng)輸出的7*7*30張量（也就是通常監(jiān)督學習所說的標簽y或者label）應(yīng)該填寫什么數(shù)據(jù)呢。

首先，輸出的 7*7維度 對應(yīng)于輸入的 7*7 網(wǎng)格。

① 20個對象分類的概率

② 2個bounding box的位置

③ 2個bounding box的置信度

（請對照上面圖6）

5 損失函數(shù)

損失就是網(wǎng)絡(luò)實際輸出值與樣本標簽值之間的偏差。

YOLO給出的損失函數(shù)如下。

?6 預(yù)測

訓(xùn)練好的YOLO網(wǎng)絡(luò)，輸入一張圖片，將輸出一個 7*7*30 的張量（tensor）來表示圖片中所有網(wǎng)格包含的對象（概率）以及該對象可能的2個位置（bounding box）和可信程度（置信度）。為了從中提取出最有可能的那些對象和位置，YOLO采用NMS（Non-maximal suppression，非極大值抑制）算法。

?7 總結(jié)

YOLO以速度見長，處理速度可以達到45fps，其YoloV4版本（網(wǎng)絡(luò)較?。┥踔量梢赃_到155fps。這得益于其識別和定位合二為一的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，而且這種統(tǒng)一的設(shè)計也使得訓(xùn)練和預(yù)測可以端到端的進行，非常簡便。不足之處是小對象檢測效果不太好（尤其是一些聚集在一起的小對象），對邊框的預(yù)測準確度不是很高，總體預(yù)測精度略低于Fast RCNN。主要是因為網(wǎng)格設(shè)置比較稀疏，而且每個網(wǎng)格只預(yù)測兩個邊框，另外Pooling層會丟失一些細節(jié)信息，對定位存在影響。

編輯：黃飛