基于深度學(xué)習(xí)的三種目標(biāo)檢測方法

目標(biāo)檢測是計算機(jī)視覺的一個非常重要的核心方向，它的主要任務(wù)目標(biāo)定位和目標(biāo)分類。

在深度學(xué)習(xí)介入該領(lǐng)域之前，傳統(tǒng)的目標(biāo)檢測思路包括區(qū)域選擇、手動特征提取、分類器分類。由于手動提取特征的方法往往很難滿足目標(biāo)的多樣化特征，傳統(tǒng)方法始終沒能很好的解決目標(biāo)檢測問題。

深度學(xué)習(xí)興起之后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以從大量數(shù)據(jù)中自動學(xué)出強(qiáng)大的特征提取和擬合能力，因而涌現(xiàn)出很多性能優(yōu)良的目標(biāo)檢測算法。

基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測方法大致可分為三類——雙階段目標(biāo)檢測、單階段目標(biāo)檢測、基于transformer的目標(biāo)檢測，本文將分別介紹這三類方法。

常用數(shù)據(jù)集

VOC數(shù)據(jù)集

VOC數(shù)據(jù)集[1]是目標(biāo)檢測領(lǐng)域的常用數(shù)據(jù)集，共有約10,000張帶有邊界框的圖片用于訓(xùn)練和驗證，每張圖片有像素級別的分割標(biāo)注、邊界框標(biāo)注以及目標(biāo)類別標(biāo)注，其中包含車輛、家具、動物、人4個大類，20個小類。

該數(shù)據(jù)集被廣泛用作目標(biāo)檢測、語義分割、分類任務(wù)的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集。

COCO數(shù)據(jù)集

COCO[2]的全稱是Microsoft Common Objects in Context，它是微軟于2014年出資標(biāo)注的數(shù)據(jù)集，與ImageNet競賽一樣，COCO目標(biāo)檢測競賽也被視為是計算機(jī)視覺領(lǐng)域最受關(guān)注和最權(quán)威的比賽之一。

相比于規(guī)模較小的VOC數(shù)據(jù)集，COCO是一個大型、豐富的物體檢測、分割數(shù)據(jù)集。這個數(shù)據(jù)集以scene understanding為目標(biāo)，主要從復(fù)雜的日常場景中截取，并通過精確的segmentation進(jìn)行目標(biāo)位置的標(biāo)定。

圖像包括91類目標(biāo)，328,000影像和2,500,000個label。提供的類別有80 類，有超過33 萬張圖片，其中20 萬張有標(biāo)注，整個數(shù)據(jù)集中個體的數(shù)目超過150 萬個。

雙階段目標(biāo)檢測算法

相較于單階段目標(biāo)檢測算法，雙階段目標(biāo)檢測算法先根據(jù)圖像提取候選框，然后基于候選區(qū)域做二次修正得到檢測點(diǎn)結(jié)果，檢測精度較高，但檢測速度較慢。

這類算法的開山之作是RCNN[3]，隨后Fast RCNN[4]、Faster RCNN[5]依次對其進(jìn)行了改進(jìn)。

由于優(yōu)秀的性能，F(xiàn)aster RCNN至今仍然是目標(biāo)檢測領(lǐng)域很有競爭力的算法。隨后，F(xiàn)PN[6]、Mask RCNN[7]等算法又針對Faster RCNN的不足提出了改進(jìn)，這進(jìn)一步豐富了Faster RCNN的組件，提升了它的性能。

RCNN

RCNN是首個將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用到目標(biāo)檢測領(lǐng)域的工作，它的算法的思想較為簡單：對于每張圖片，RCNN首先采用選擇性搜索算法[1]生成大約2000個候選區(qū)域。隨后將每個候選區(qū)域的尺寸轉(zhuǎn)換為固定大小，并用CNN提取候選區(qū)域的特征。隨后使用SVM分類器判斷候選區(qū)域的類別，使用線性回歸模型，為每個物體生成更精確的邊界框。

盡管RCNN取得了很大進(jìn)展，它仍然有很多缺點(diǎn)：首先，整個目標(biāo)檢測階段涉及到三個模型，用于特征提取的CNN、用于分辨目標(biāo)物體類別的SVM分類器、用于調(diào)整邊界框的線性回歸模型。RCNN無法做到端到端訓(xùn)練，只能分別訓(xùn)練這三個模型，這增大了訓(xùn)練難度與訓(xùn)練時間。

其次，每張圖片要提取2000個訓(xùn)練區(qū)域，隨后又要用CNN分別提取每個區(qū)域的特征，特征的數(shù)量將非常大，這降低了模型的推理速度。通常每張圖片需要45秒進(jìn)行預(yù)測，基本無法處理大型數(shù)據(jù)集。

圖1：RCNN算法流程

Fast RCNN

在RCNN中，每個候選區(qū)域都需要用CNN單獨(dú)提取特征。為了減少算法的計算時間，F(xiàn)ast-RCNN希望在每張圖片上只使用一次CNN，就能提取到所有關(guān)注區(qū)域的特征。為此，RCNN設(shè)計了如下步驟的目標(biāo)檢測算法：

首先對圖片使用啟發(fā)式算法，得到大量候選區(qū)域。隨后將圖片輸入到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，得到圖片的特征，與候選區(qū)域的相對位置結(jié)合，就可以得到候選區(qū)域的特征。隨后使用ROI池化層將候選區(qū)域調(diào)整至相同尺寸，并將調(diào)整后的結(jié)構(gòu)輸入到全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中。最后在全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后面添加softmax層，預(yù)測目標(biāo)的列別;并以相同的方式添加線性回歸層。

與RCNN相比，F(xiàn)ast RCNN計算一張圖片只需要2秒，速度有大幅提升，每張圖片的計算時間只有但仍不夠理想。因為它依然用到了選擇性搜索方法得到感興趣區(qū)域，而這一過程通常很慢。

圖2：Fast RCNN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

Faster RCNN

Faster RCNN針對感興趣區(qū)域的生成方式，對RCNN進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)一步提高了計算速度和準(zhǔn)確率。具體來說，F(xiàn)aster RCNN使用Reigion Proposal Network(RPN)生成感興趣區(qū)域：

首先，將圖片輸入到CNN中得到高層特征映射，隨后將其傳遞到RPN中。

RPN會在特征映射上使用一個滑動窗口，并在每個窗口設(shè)置K個不同大小、不同長寬比的先驗框。

對于每個先驗框，RPN會分別預(yù)測該框包含目標(biāo)物體的概率，以及對該框的調(diào)整回歸量。最終得到不同形狀、尺寸的邊界框，調(diào)增尺寸后將其傳遞到完全連接層，得到目標(biāo)類別以及最終的先驗框。

Faster RCNN進(jìn)一步提高了計算速度，并獲得了較高的準(zhǔn)確率。時至今日，依然是目標(biāo)檢測領(lǐng)域的主流算法之一。

圖3：RPN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

FPN

Faster R-CNN是利用單個高層特征圖(下采樣四倍的卷積層——Conv4)進(jìn)行物體的分類和bounding box的回歸。這樣做對小物體的檢測不利，因為小物體本身具有的像素信息較少，在下采樣的過程中，這些信息很容易丟失，從而降低了算法的性能。

為了處理這種物體大小差異十分明顯的檢測問題，F(xiàn)PN提出了特征金字塔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它引入了多尺度特征，在只增加少量計算量的情況下，提升小物體的檢測性能。

具體來說，F(xiàn)aster RCNN將最后一層特征輸入到了RPN中，最后一層的特征經(jīng)過3x3卷積，得到256個channel的卷積層，再分別經(jīng)過兩個1x1卷積得到類別得分和邊框回歸結(jié)果。

而FPN將P2、P3、P4、P5、P6這五個特征層的特征都輸入到了RPN中。每個特征層的下采樣倍數(shù)不同，這意味著它們具有不同的尺度信息分離，因此作者將322、642、1282、2562、5122這五種尺度的anchor，分別對應(yīng)到P2、P3、P4、P5、P6這五個特征層上，這樣一來，每個特征層只需要專門處理單一的尺度信息即可。

此外，作者通過實驗發(fā)現(xiàn)，如果將這5個特征層后面的RPN參數(shù)共享，所得到的結(jié)果與不共享幾乎沒有差別。這說明不同下采樣倍數(shù)之間的特征有相似語義信息。

在FPN問世之后，立刻成為了Faster RCNN的必要組成部件。

圖4：FPN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

Mask RCNN

相較于Faster RCNN，Mask RCNN采用了全新的、性能更強(qiáng)的ResNeXt-101+FPN的組合作為backbone提取輸入圖片的特征。并在網(wǎng)絡(luò)最后額外添加了一個分支，進(jìn)行mask預(yù)測任務(wù)，這將有助于提升特征提取網(wǎng)絡(luò)和RPN的性能。

此外，Mask RCNN還提出了一個改進(jìn)，將原先的ROI池化層改進(jìn)成ROIAlign層。在Faster RCNN中，有兩次整數(shù)化的操作：(1)RPN輸出的邊界框回歸值通常是小數(shù)，為了方便操作，會直接通過四舍五入把其整數(shù)化。(2)在ROI池化層中，整數(shù)化后的邊界區(qū)域被平均分割成了K×K個單元，因此需要對這些單元的邊界進(jìn)一步整數(shù)化。

Mask RCNN的作者指出，經(jīng)過這兩次整數(shù)化后的候選框，已經(jīng)和最開始RPN輸出的候選框有了一定的位置偏差，這將影響模型的準(zhǔn)確度。為此，作者提出了ROI Align方法，它沒有采用整數(shù)化操作，而是使用雙線性插值方法，獲得浮點(diǎn)數(shù)坐標(biāo)的像素值。

圖5：Mask RCNN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

單階段目標(biāo)檢測算法

相較于雙階段目標(biāo)檢測算法，單階段目標(biāo)驗測算法直接對圖像進(jìn)行計算生成檢測結(jié)果，檢測低速度快，但檢測精度低。

這類算法的開山之作是YOLO[8]，隨后SSD [9]、Retinanet[10]依次對其進(jìn)行了改進(jìn)，提出YOLO的團(tuán)隊將這些有助于提升性能的 trick融入到Y(jié)OLO算法中，后續(xù)又提出了4個改進(jìn)版本YOLOv2~YOLOv5。

盡管預(yù)測準(zhǔn)確率不如雙階段目標(biāo)檢測算法，由于較快的運(yùn)行速度，YOLO成為了工業(yè)界的主流。

YOLO

雙階段目標(biāo)檢測需要預(yù)先設(shè)置大量先驗框，并且需要專門的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)RPN對先驗框進(jìn)行位置修正。這種設(shè)定使得雙階段目標(biāo)檢測算法復(fù)雜且計算慢。

YOLO是單階段目標(biāo)檢測的開山之作，它只需要用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理一次圖片，就可以同時預(yù)測得到位置和類別，從而將目標(biāo)檢測任務(wù)定義為端到端的回歸問題，提升了計算速度。YOLO的工作流程如下：

對于一張輸入圖片，首先將圖片縮放成統(tǒng)一的尺寸，并在圖片上劃分出若干表格。隨后使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取圖片特征，并使用全連接層在每個網(wǎng)格上進(jìn)行回歸預(yù)測，每個網(wǎng)格預(yù)測K個box，每個box預(yù)測五個回歸值。其中的四個回歸值代表box的位置，第五個回歸值代表box中含有物體的概率和位置的準(zhǔn)確程度。

隨后對于含有物體的box，使用全連接層，回歸預(yù)測物體的在各個類別的條件概率。因而，卷積網(wǎng)絡(luò)共輸出的預(yù)測值個數(shù)為N×(K×5+C)，其中N為網(wǎng)格數(shù)，K為每個網(wǎng)格生成box個數(shù)，C為類別數(shù)。

盡管單階段模型顯著提高了計算速度，YOLO劃分網(wǎng)格的方式較為粗糙，在小目標(biāo)檢測任務(wù)上表現(xiàn)不佳，總體性能弱于Faster RCNN。

圖6：YOLO的檢測流程

SSD

針對YOLO的不足，SSD借鑒了雙階段目標(biāo)檢測算法的一些trick，在YOLO的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列改進(jìn)：

YOLO利用單個高層特征進(jìn)行目標(biāo)檢測，SSD則是將特征提取網(wǎng)絡(luò)中不同層的多個特征輸入到目標(biāo)檢測模塊，以希望提升小物體檢測的精度。

YOLO在每個網(wǎng)格上預(yù)測多個邊界框，但這些預(yù)測都相對這個正方形網(wǎng)格本身，與真實目標(biāo)多變的形狀差異較大，這使得YOLO需要在訓(xùn)練過程中自適應(yīng)目標(biāo)的形狀。SSD借鑒了Faster R-CNN中先驗框理念，為每個網(wǎng)格設(shè)置不同尺度、長寬比的先驗框，這在一定程度上減少訓(xùn)練難度。

SSD還使用卷積層絡(luò)替代全連接層，針對不同特征圖進(jìn)行回歸預(yù)測，這樣一來，對于形狀為mxnxp的特征圖，只需要采用3x3xp這樣比較小的卷積核得到檢測值，進(jìn)一步減少了模型的參數(shù)量，提高了計算速度。

SSD的改進(jìn)，使得單階段目標(biāo)檢測算法的性能基本與當(dāng)時的Faster-RCNN持平，不過后續(xù)又被Faster-RCNN類算法超越。

圖7：SSD的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

Retinanet

相較于SSD，RetinaNet并沒有模型層面的創(chuàng)新，模型的性能提升主要源自于Focal Loss，它進(jìn)一步解決了目標(biāo)檢測中的類別不平衡問題。

單階段目標(biāo)檢測模型常常會面臨嚴(yán)重的正負(fù)樣本不平衡問題，由于算法會在圖片的每個位置密集抽樣，而圖片中的樣本數(shù)量有限，因此候選區(qū)域中的物體數(shù)量會顯著小于背景數(shù)量。

對于兩階段目標(biāo)檢測模型，正負(fù)樣本不平衡問題得到了一定的緩解。因為第一階段的RPN可以避免生成很大一部分負(fù)樣本，最終第二階段的檢測模塊只需要處理少量候選框。

針對正負(fù)樣本不均衡問題，SSD算法采用了hard mining，從大量的負(fù)樣本中選出loss最大的topk個負(fù)樣本以保證正負(fù)樣本比例為1:3。

相較于SSD的抽樣方法，F(xiàn)ocal Loss從損失函數(shù)的視角來解決樣本不平衡問題，它根據(jù)置信度動態(tài)調(diào)整交叉熵?fù)p失函數(shù)，當(dāng)預(yù)測正確的置信度增加時，loss的權(quán)重系數(shù)會逐漸衰減至0，這使得模型訓(xùn)練的loss更關(guān)注難例，而大量容易的例子loss貢獻(xiàn)很低。

YOLO的后續(xù)版本

YOLO的團(tuán)隊借鑒了其它有助于提升性能的 trick融入到Y(jié)OLO算法中，后續(xù)又提出了4個改進(jìn)版本YOLOv2~YOLOv5。

YOLOv2使用了很多trick，包括：Batch Normalization、高分辨率圖像分類器、使用先驗框、聚類提取先驗框的尺度信息、約束預(yù)測邊框的位置、在passthrough層檢測細(xì)粒度特征、分層分類等。

YOLOv3借鑒了SSD的思想，使用了多尺度特征進(jìn)行目標(biāo)檢測，與SSD不同的是，YOLOv3采用上采樣+特征融合的方式，對多尺度特征進(jìn)行了一定的融合。

后續(xù)版本采用了Retinanet提出的Facol loss，緩解了正負(fù)樣本不均衡問題，進(jìn)一步提升了模型表現(xiàn)。

基于transformer

的方法

對于目標(biāo)檢測任務(wù)而言，理論上講，各個目標(biāo)之間的關(guān)系是有助于提升目標(biāo)檢測效果的。盡管傳統(tǒng)目標(biāo)檢測方法使用到了目標(biāo)之間的關(guān)系，直到Transformer[11]模型面世，無論是單階段還是雙階段目標(biāo)檢測，都沒有很好地利用到注意力機(jī)制。

一個可能的原因是目標(biāo)與目標(biāo)之間的關(guān)系難以建模，因為目標(biāo)的位置、尺度、類別、數(shù)量都會因圖像的不同而不同。而現(xiàn)代基于CNN的方法大多只有一個簡單、規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對于上述復(fù)雜現(xiàn)象有些無能為力。

針對這種情況，Relation Net[12]和DETR[13]利用Transformer將注意力機(jī)制引入到目標(biāo)檢測領(lǐng)域。Relation Net利用Transformer對不同目標(biāo)之間的關(guān)系建模，在特征之中融入了關(guān)系信息，實現(xiàn)了特征增強(qiáng)。DETR則是基于Transformer提出了全新的目標(biāo)檢測架構(gòu)，開啟了目標(biāo)檢測的新時代。

Relation Net

盡管用到了Transformer，Relation Net仍然是基于Faster RCNN的改進(jìn)工作。Faster RCNN會通過RPN網(wǎng)絡(luò)生成一系列感興趣區(qū)域，隨后將感興趣區(qū)域輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中預(yù)測目標(biāo)的位置和類別。

Relation Net并沒有直接將感興趣區(qū)域輸入到最終的預(yù)測網(wǎng)絡(luò)中，而是先將這些感興趣區(qū)域輸入到transformer中，利用注意力機(jī)制，融合不同感興趣區(qū)域的關(guān)系信息，進(jìn)而實現(xiàn)特征增強(qiáng)。隨后，再將transformer的輸出送入到最終的預(yù)測網(wǎng)絡(luò)中，預(yù)測目標(biāo)的位置和類別。

此外，作者還用transformer模塊取代了非極大值抑制模塊(NMS)，真正實現(xiàn)了端到端訓(xùn)練。

圖8：Relation module的結(jié)構(gòu)

DETR

DETR是首個用transformer完成目標(biāo)檢測任務(wù)的代表性工作。

首先，DETR使用CNN提取圖片的特征，再加上NLP領(lǐng)域常用的位置編碼，最終生成了一批序列化數(shù)據(jù)。

在encoder階段，將序列化數(shù)據(jù)其送入encoder中，利用注意力機(jī)制提取數(shù)據(jù)中的特征。在decoder階段，輸入N個隨機(jī)初始化向量，每個object query關(guān)注圖片的不同位置。經(jīng)過decoder的解碼，最終會生成N個向量，每個向量對應(yīng)一個檢測到的目標(biāo)。最后將這N個向量輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，得到每個目標(biāo)的類別和位置。

相較于其它目標(biāo)檢測算法，DETR生成的檢測框數(shù)量大幅減少，與真實的檢測框數(shù)量基本一致。DETR使用匈牙利算法，將預(yù)測框與真實框進(jìn)行了匹配，隨后就可以計算出loss，完成對模型的訓(xùn)練。

DETR取得了好于Faster RCNN的檢測效果，并且它不需要預(yù)先指定候選區(qū)域，不需要使用NMS去除重復(fù)的目標(biāo)框，算法流程十分簡潔。

圖9：DETR的算法流程

總結(jié)

憑借著強(qiáng)大的特征提取能力，深度學(xué)習(xí)幫助目標(biāo)檢測算法取得了長足的發(fā)展。

從RCNN開始，相關(guān)科研人員不斷引入新的機(jī)制、新的trick，以提高這類算法的精度。最終，以Faster RCNN為代表的雙階段目標(biāo)檢測算法取得了很高的預(yù)測準(zhǔn)確率。

相較于Faster RCNN，以YOLO為代表的單階段目標(biāo)檢測算法在保證較高預(yù)測精度的同時取得了很高的計算速度，憑借其優(yōu)秀的實時性，在工業(yè)界取得了廣泛應(yīng)用。

去年提出的以DETR為代表的視覺Transformer算法將注意力機(jī)制引入到目標(biāo)檢測領(lǐng)域。DETR憑借其簡潔優(yōu)雅的結(jié)構(gòu)、超過Faster RCNN的準(zhǔn)確率，吸引了越來越多的目標(biāo)檢測從業(yè)者開展視覺transformer的研究。從目前的發(fā)展態(tài)勢來看，視覺transformer必將進(jìn)一步推動目標(biāo)檢測的快速進(jìn)展。

原文標(biāo)題：目標(biāo)檢測 - 主流算法介紹 - 從RCNN到DETR

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審核編輯：湯梓紅