簡(jiǎn)述深度學(xué)習(xí)的基準(zhǔn)目標(biāo)檢測(cè)及其衍生算法

1 基于深度學(xué)習(xí)的基準(zhǔn)目標(biāo)檢測(cè)模型

基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)方法根據(jù)有無(wú)區(qū)域提案階段劃分為區(qū)域提案檢測(cè)模型和單階段檢測(cè)模型，其最近發(fā)展歷程在圖1中畫(huà)出。

▲ 圖1 基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)模型的發(fā)展歷程

1.1 區(qū)域提案目標(biāo)檢測(cè)基準(zhǔn)模型

區(qū)域提案檢測(cè)模型將目標(biāo)檢測(cè)任務(wù)分為區(qū)域提案生成、特征提取和分類預(yù)測(cè)三個(gè)階段。在區(qū)域提案生成階段，檢測(cè)模型利用搜索算法如選擇性搜索（Selective Search，SS）、EdgeBoxes、區(qū)域提案網(wǎng)絡(luò)（Region Proposal Network， RPN）等在圖像中搜尋可能包含物體的區(qū)域。在特征提取階段，模型利用深度卷積網(wǎng)絡(luò)提取區(qū)域提案中的目標(biāo)特征。在分類預(yù)測(cè)階段，模型從預(yù)定義的類別標(biāo)簽對(duì)區(qū)域提案進(jìn)行分類和邊框信息預(yù)測(cè)。

2012年，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)AlexNet通過(guò)強(qiáng)大的分層特征學(xué)習(xí)能力在ImageNet分類任務(wù)中奪魁，其分類結(jié)果比傳統(tǒng)算法要好得多。之后Girshirk等基于此提出通用的目標(biāo)檢測(cè)模型RCNN。

受空間金字塔匹配啟發(fā)，He等提出空間金字塔池化網(wǎng)絡(luò)（Spatial Pyramid Pooling Network， SPPNet）解決RCNN模型中固定大小圖像輸入的問(wèn)題。盡管模型能解決固定大小圖像輸入的問(wèn)題并大幅減少檢測(cè)時(shí)間，但網(wǎng)絡(luò)輸出特征需要磁盤存儲(chǔ)且網(wǎng)絡(luò)不能通過(guò)反向傳播更新卷積層參數(shù)。Fast RCNN，F(xiàn)aster RCNN解決了該問(wèn)題。

盡管Faster RCNN運(yùn)用RPN能有效地縮短檢測(cè)時(shí)間，但圖像中上百個(gè)區(qū)域提案仍需輸入到區(qū)域子網(wǎng)絡(luò)來(lái)分類與坐標(biāo)回歸，這是模型的計(jì)算瓶頸。若直接減少區(qū)域子網(wǎng)絡(luò)的深度則會(huì)引起基于分類初始模型與檢測(cè)模型的矛盾，因?yàn)榉诸悤?huì)增加物體的平移不變性而檢測(cè)則減少物體的平移不變性。為解決上述問(wèn)題，代表性的方法有RFCN，Mask RCNN。上述模型的相關(guān)信息在表1中列出。

▲ 表1 區(qū)域提案目標(biāo)檢測(cè)基準(zhǔn)模型

1.2 單階段目標(biāo)檢測(cè)基準(zhǔn)模型

雖然區(qū)域提案檢測(cè)模型保持著高效的檢測(cè)效率，但其耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)難以得到實(shí)際應(yīng)用。相較于區(qū)域提案檢測(cè)模型，單階段檢測(cè)模型聯(lián)合區(qū)域提案和分類預(yù)測(cè)，輸入整張圖像到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中提取特征，最后直接輸出目標(biāo)類別和邊框位置信息。這類代表性的方法有：YOLO，YOLOv2，YOLOv3，YOLOv4，SSD，CornerNet等。

針對(duì)YOLO模型中目標(biāo)定位不準(zhǔn)確的問(wèn)題，Liu等人提出更準(zhǔn)確的單階段實(shí)時(shí)檢測(cè)模型SSD（Single Shot MultiBox Detector），其結(jié)合YOLO的回歸思想與Faster RCNN的錨框機(jī)制。之后DSSD（DeconvolutionalSingle Shot Detector）用于小目標(biāo)檢測(cè)。然而，錨框機(jī)制也存在明顯的缺陷，如正負(fù)樣本不平衡、引入過(guò)多的超參數(shù)而折戟檢測(cè)速度與性能等。基于此，研究者提出了無(wú)錨框單階段檢測(cè)模型，上述模型的相關(guān)信息在表2中列出。

▲ 表2 單階段目標(biāo)檢測(cè)基準(zhǔn)模型

2 基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)衍生算法

當(dāng)前主流的基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)方法可分為檢測(cè)部件、數(shù)據(jù)增強(qiáng)、優(yōu)化方法和學(xué)習(xí)策略四個(gè)方面。其中檢測(cè)部件包含基準(zhǔn)模型和基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)增強(qiáng)包含幾何變換、光學(xué)變換等；優(yōu)化方法包含特征圖、上下文模型、邊框優(yōu)化、區(qū)域提案方法、類別不平衡和訓(xùn)練策略六個(gè)方面，學(xué)習(xí)策略涵蓋監(jiān)督學(xué)習(xí)、弱監(jiān)督學(xué)習(xí)和無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)。本節(jié)從優(yōu)化方法和學(xué)習(xí)策略這兩個(gè)大的方面歸納總結(jié)了深度學(xué)習(xí)下基準(zhǔn)目標(biāo)檢測(cè)模型的衍生方法。基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)部件及其代表性的檢測(cè)方法如圖2所示。

▲ 圖2 基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)部件及其代表性的檢測(cè)方法

2.1 融合特征圖的目標(biāo)檢測(cè)模型

特征圖是圖像經(jīng)過(guò)卷積池化層輸出的結(jié)果，大多數(shù)基準(zhǔn)檢測(cè)模型只在頂層特征圖做預(yù)測(cè)，這在很大程度上限制了模型的性能。為了充分提取特征信息，現(xiàn)有檢測(cè)模型從三個(gè)角度融合淺中深層特征，分別是：結(jié)合多層特征圖單層預(yù)測(cè)模型（ION、HyperNet）、分層預(yù)測(cè)模型（MSCNN、SSD、RFBNet、TridentNet）和結(jié)合多層特征圖多層預(yù)測(cè)模型（FPN、DSSD、STDN、DetNet、M2Det、FCOS、EfficientDet）。相關(guān)模型信息在表4中列出。

▲ 表4 融合特征圖的目標(biāo)檢測(cè)模型

2.2 結(jié)合上下文信息的目標(biāo)檢測(cè)模型

在物體遮擋、背景信息雜亂或圖像質(zhì)量不佳的情況下，根據(jù)圖像的上下文信息能更有效更精確地檢測(cè)?，F(xiàn)有的目標(biāo)檢測(cè)模型主要考慮將上下文信息分為全局上下文信息（DeepIDNet、ION、CPF）和局部上下文信息（MR?CNN、GBDNet、ACCNN、CoupleNet）。相關(guān)模型的信息在表5中列出。

▲ 表5 上下文模型和邊框優(yōu)化模型

2.3 優(yōu)化邊框定位的目標(biāo)檢測(cè)模型

當(dāng)前檢測(cè)模型在小目標(biāo)檢測(cè)表現(xiàn)不佳的主要原因是定位錯(cuò)誤偏多，包含定位偏差大和重復(fù)預(yù)測(cè)，因此部分研究著眼于優(yōu)化邊框定位來(lái)提升檢測(cè)性能，代表性的模型有MRCNN、Cascade RCNN、Grid RCNN等。此外，一些算法使用后處理步驟來(lái)優(yōu)化預(yù)測(cè)框位置，如NMS、Soft?NMS、Softer?NMS等。

2.4 高效區(qū)域提案的目標(biāo)檢測(cè)模型

區(qū)域提案是圖像中可能包含物體的區(qū)域，它是兩階段檢測(cè)模型中性能保障的關(guān)鍵。早期的檢測(cè)模型DPM使用滑動(dòng)窗口方法，存在計(jì)算復(fù)雜度高和定位性能差的問(wèn)題。RCNN使用SS算法提取候選區(qū)域并利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取圖像特征，其檢測(cè)效率和性能上均有大幅提高。EdgeBox利用圖像中低維線索如顏色、紋理、邊緣、梯度等對(duì)其分類，表現(xiàn)出良好的檢測(cè)性能。Kuo等人在EdgeBox基礎(chǔ)上提出DeepBox檢測(cè)模型，運(yùn)行速度更快且提案窗口召回率更高。Ren等人提出使用RPN生成候選區(qū)域的Faster RCNN檢測(cè)模型，在特征圖上以每個(gè)像素點(diǎn)為中心生成三個(gè)尺度和三個(gè)長(zhǎng)寬比總共九個(gè)錨框。Ghodrati等人提出DeepProposal檢測(cè)模型，使用多個(gè)級(jí)聯(lián)的卷積特征來(lái)生成對(duì)象提案再構(gòu)建逆級(jí)聯(lián)選擇圖像中可能存在的對(duì)象位置。

2.5 處理類別不平衡的目標(biāo)檢測(cè)模型

類別不平衡的主要矛盾是負(fù)樣本數(shù)遠(yuǎn)多于正樣本數(shù)，導(dǎo)致訓(xùn)練的深度模型效率低。傳統(tǒng)檢測(cè)算法常用Bootstrapping方法處理此問(wèn)題，之后RCNN模型使用困難樣本挖掘（Hard ExampleMining，HEM）方法來(lái)處理。Shrivastava等人在HEM基礎(chǔ)上提出在線困難樣本挖掘方法（OnlineHard Example Mining， OHEM），其根據(jù)區(qū)域提案損失有選擇性地反向傳播負(fù)樣本區(qū)域更新梯度。最近，Lin等人提出使用Focal Loss的單階段檢測(cè)模型RetinaNet，使模型更關(guān)注于那些少量的困難樣本。表6總結(jié)了類別不平衡處理模型和訓(xùn)練策略方法。

▲ 表6 類別不平衡處理模型和訓(xùn)練策略方法

2.6 訓(xùn)練策略

大多數(shù)目標(biāo)檢測(cè)模型采取小批量樣本進(jìn)行訓(xùn)練，然而小批量樣本訓(xùn)練存在梯度不穩(wěn)定、訓(xùn)練時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。研究者們提出一些高效的方法解決上述問(wèn)題，典型的方法有：MegNet，LargeDet，SNIP，SNIPER，DSOD， ScratchDet等。相關(guān)訓(xùn)練策略的信息在表6中列出。

2.7 基于弱監(jiān)督學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)方法

數(shù)據(jù)標(biāo)注的昂貴性和人工標(biāo)注的主觀性已成為一個(gè)棘手的問(wèn)題?；谌醣O(jiān)督學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)方法主要?jiǎng)澐譃槿悾夯诜指畹哪繕?biāo)檢測(cè)方法、基于多示例學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)方法和基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)方。這些模型的相關(guān)信息在表7中列出。

▲ 表7 基于弱監(jiān)督學(xué)習(xí)的通用目標(biāo)檢測(cè)方法

2.8 基于無(wú)監(jiān)督的目標(biāo)檢測(cè)方法

盡管基于弱監(jiān)督學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)方法僅需要圖像級(jí)別信息即可訓(xùn)練，表現(xiàn)出了良好的性能。然而，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中圖像往往沒(méi)有標(biāo)注信息。目前，基于無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)方法大致可分為兩類：基于分割的目標(biāo)檢測(cè)方法和基于領(lǐng)域自適應(yīng)的目標(biāo)檢測(cè)方法。模型的相關(guān)信息在表8中列出。