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R-CNN模型是怎样的

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摘要

目标识别与检测数据库：PASCAL VOC在12年以前一直进展缓慢，一些新提出的优化方法只是把之前的方法线性地结合在一起。Ross Girshick提出的R-CNN直接将识别准确率提高了30%。作者主要利用两个因素：一个是CNN可以应用于区域候选，以便定位和分割物体；另一个是当标记的训练数据很少时，辅助任务的预训练加以fine-tuning，可以显著提高性能。（when labeled training data is scarce, supervised pre-training for an auxiliary task, followed by domain-specific fine-tuning, yields a significant performance boost.）

1. 介绍

  • R-CNN提出以前，各式各样的目标检测算法大都基于SIFT和HOG算子，二者都是 blockwise orientation histograms，我们可以大致地将它们与哺乳动物视觉联系起来。但大脑的识别过程应该是多层传递的，因此识别程序也应该有一个多层结构。基于此，Fukushima 提出了“neocognitron”方法，Lecun 也提出了“missing algorithm”。

  • 鉴于13年CNN的火爆，作者认为：CNN在图像分类上的结果也可以扩展应用到PASCAL VOC的挑战上。为了达成目标，需要解决两个问题：

    • 用深度网络定位目标。目标检测首先需要定位物体（localization）。定位的实现方式一般为滑动窗检测（用窗口截取图像的一部分，每次都做一个定位回归），但对于较大感受野和步长的CNN是一个不小的挑战。

    • 用小容量的标记数据训练大容量的网络。解决方式上面其实已经说了，就是在ILSVRC这个大的辅助训练集上进行监督训练，接着在PASCAL上domain-specific fine-tuning。

  • 另外，作者的系统也十分有效：The only class-specific computations are a reasonably small matrix-vector product and greedy non-maximum suppression。

  • 作者还发现，即使去除94%的参数，CNN模型检测的准确率只会有略微的下降。通过一个检测分析工具，发现只需要通过简单的边界框回归就可以显著地降低定位错误率。

2. R-CNN模型介绍

2.1 模型设计

  • 整个检测系统分为三个部分：

    • 生成独立分类的候选区域。作者的方法是use selective search to enable a controlled comparison with prior

    • 用CNN，对每个候选区域提出固定长度的特征向量。输入的图片固定为227*227，且提前进行mean-subtracted处理。之后用一个5卷积层，2全连接层的CNN来提取4096维特征向量。

    • 用SVM对特征向量进行分类。

2.2 Test-time detection

  • 一开始，系统先用selective search提取2000个候选区域，并将其warp到277*277大小，进入CNN提取特征，并用SVM分类。最后，再用 greedy non-maximum suppression 把那些高度重叠的框剔除。

  • R-CNN运行时间很短，这归功于两点：1. CNN对于每个分类的参数都是共享的；2. 与其他方法相比，4096维的特征向量算是很小的了。

  • 运行结果是，即使有100k个分类，一张图在多核CPU上也只要10秒；生成的低维特征图只占1.5GB。

2.3 Training

  • Supervised pre-training：先将CNN在ILSVRC 2012上进行预训练（with image-level annotations (i.e., no bounding box labels)），框架采用的是Caffe。由于训练过程的简单化，作者不小心就达到了ILSVRC最低错误率；

  • Domain-specific fine-tuning：微调过程，以0.001的学习速率进行SGD训练。对某个分类只要IOU>0.5就视该边框为正值。每次SGD迭代都采样38个正边框和96个背景。

  • Object category classifiers：对某个分类，高IOU和IOU都很好区分，但IOU处于中值时则很难定义生成的候选框是否包含了该物体。作者设定了一个阈值0.3，低于它的一律视为背景（负数）。另外，每个分类都优化一个SVM。由于负样本很多，因此还采用了hard negative mining方法

2.4 Results on PASCAL VOC 2010-12

  • 作者提交了两个版本，一个没有bounding box regression（RCNN），一个有（RCNN BB），结果如下：

  • 简而言之，就是MAP显著提高了不少（从35.1%到53.7%），而且运行时间也短。 

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