对象检测（object detection）算法图解

2018 年 12 月 12 日 云栖社区

摘要：本文简要介绍图像检测中常用的深度学习方法——RCNN家族系列算法，以图像讲解形式，便于理解。

在生活中，经常会遇到这样的一种情况，上班要出门的时候，突然找不到一件东西了，比如钥匙、手机或者手表等。这个时候一般在房间翻一遍各个角落来寻找不见的物品，最后突然一拍大脑，想到在某一个地方，在整个过程中有时候是很着急的，并且越着急越找不到，真是令人沮丧。但是，如果一个简单的计算机算法可以在几毫秒内就找到你要找的物品，你的感受如何？是不是很惊奇！这就是对象检测算法（object detection）的力量。虽然上述举的生活例子只是一个很简单的例子，但对象检测的应用范围很广，跨越多个不同的行业，从全天候监控到智能城市的实时车辆检测等。简而言之，物体检测是强大的深度学习算法中的一个分支。

在本文中，我们将深入探讨可以用于对象检测的各种算法。首先从属于RCNN系列算法开始，即RCNN、 Fast RCNN和 Faster RCNN。在之后的文章中，将介绍更多高级算法，如YOLO、SSD等。

1.解决对象检测任务的简单方法（使用深度学习）

下图说明了对象检测算法是如何工作。图像中的每个对象，从人到风筝都以一定的精度进行了定位和识别。

下面从最简单的深度学习方法开始，一种广泛用于检测图像中的方法——卷积神经网络（CNN）。如果读者对CNN算法有点生疏，建议阅读此文。

https://www.analyticsvidhya.com/blog/2017/06/architecture-of-convolutional-neural-networks-simplified-demystified/

这里仅简要总结一下CNN的内部运作方式：

首先将图像作为输入传递到网络，然后通过各种卷积和池化层处理，最后以对象类别的形式获得输出。

对于每个输入图像，会得到一个相应的类别作为输出。因此可以使用这种技术来检测图像中的各种对象。

1.首先，将图像作为输入；

2.然后，将图像分成不同的区域；

3.然后，将每个区域视为单独的图像；
4.将所有这些区域传递给CNN并将它们分类为各种类别；
5.一旦将每个区域划分为相应的类后，就可以组合所有这些区域来获取具有检测到的对象的原始图像：

使用这种方法会面临的问题在于，图像中的对象可以具有不同的宽高比和空间位置。例如，在某些情况下，对象可能覆盖了大部分图像，而在其他情况下，对象可能只覆盖图像的一小部分，并且对象的形状也可能不同。

基于此，需要划分大量的区域，这会花费大量的计算时间。因此，为了解决这个问题并减少区域数量，可以使用基于区域的CNN，它使用提议方法选择区域。

2.基于区域的卷积神经网络

2.1 RCNN的思想

RCNN算法不是在大量区域上工作，而是在图像中提出了一堆方框，并检查这些方框中是否包含任何对象。RCNN 使用选择性搜索从图像中提取这些框。

下面介绍选择性搜索以及它如何识别不同的区域。基本上四个区域形成一个对象：不同的比例、颜色、纹理和形状。选择性搜索在图像中识别这些模式，并基于此提出各种区域。以下是选择性搜索如何工作的简要概述：

首先，将图像作为输入：

然后，它生成初始子分段，以便获得多个区域：

之后，该技术组合相似区域以形成更大的区域（基于颜色相似性、纹理相似性、尺寸相似性和形状兼容性）：

最后，这些区域产生最终的对象位置（感兴趣的区域）；

下面是RCNN检测对象所遵循的步骤的简要总结：

1.首先采用预先训练的卷积神经网络；
2.重新训练该模型模型——根据需要检测的类别数量来训练网络的最后一层（迁移学习）；
3.第三步是获取每个图像的感兴趣区域。然后，对这些区域调整尺寸，以便其可以匹配CNN输入大小；
4.获取区域后，使用SVM算法对对象和背景进行分类。对于每个类，都训练一个二分类SVM；
最后，训练线性回归模型，为图像中每个识别出的对象生成更严格的边界框；

[对上述步骤进行图解分析]（http://www.robots.ox.ac.uk/~tvg/publications/talks/Fast-rcnn-slides.pdf）：

首先，将图像作为输入：

然后，使用一些提议方法获得感兴趣区域（ROI）（例如，选择性搜索）：

之后，对所有这些区域调整尺寸，并将每个区域传递给卷积神经网络：

然后，CNN为每个区域提取特征，SVM用于将这些区域划分为不同的类别：

最后，边界框回归（Bbox reg）用于预测每个已识别区域的边界框：

以上就是RCNN检测物体的全部流程。

2.2 RCNN的问题

从上节内容可以了解到RCNN是如何进行对象检测的，但这种技术有其自身的局限性。以下原因使得训练RCNN模型既昂贵又缓慢：

基于选择性搜索算法为每个图像提取2,000个候选区域；
使用CNN为每个图像区域提取特征；
RCNN整个物体检测过程用到三种模型：

CNN模型用于特征提取；

线性svm分类器用于识别对象的的类别；

回归模型用于收紧边界框；

这些过程相结合使得RCNN非常慢，对每个新图像进行预测需要大约40-50秒，这实际上使得模型在面对巨大的数据集时变得复杂且几乎不可能应用。

好消息是存在另一种物体检测技术，它解决了RCNN中大部分问题。

3.了解Fast RCNN

3.1Fast RCNN的思想

RCNN的提出者Ross Girshick提出了这样的想法，即每个图像只运行一次CNN，然后找到一种在2,000个区域内共享该计算的方法。在Fast RCNN中，将输入图像馈送到CNN，CNN生成卷积特征映射。使用这些特征图提取候选区域。然后，使用RoI池化层将所有建议的区域重新整形为固定大小，以便将其馈送到全连接网络中。

下面将其分解为简化概念的步骤：