R-FCN详解

论文题目：R-FCN: Object Detection via Region-based Fully Convolutional Networks 

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一、R-FCN初探

1. R-FCN贡献

• 提出Position-sensitive score maps来解决目标检测的位置敏感性问题；
• 区域为基础的，全卷积网络的二阶段目标检测框架；
• 比Faster-RCNN快2.5-20倍（在K40GPU上面使用ResNet-101网络可以达到 0.17 sec/image）;

整个R-FCN的结构

• 一个base的conv网络如ResNet101, 一个RPN（Faster RCNN来的）,一个position sensitive的prediction层，最后的ROI pooling+投票的决策层

R-FCN的idea出发点（关键思想）

• 分类需要特征具有平移不变性，检测则要求对目标的平移做出准确响应。现在的大部分CNN在分类上可以做的很好，但用在检测上效果不佳。SPP，Faster R-CNN类的方法在ROI pooling前都是卷积，是具备平移不变性的，但一旦插入ROI pooling之后，后面的网络结构就不再具备平移不变性了。因此，本文想提出来的position sensitive score map这个概念是能把目标的位置信息融合进ROI pooling。

• 对于region-based的检测方法，以Faster R-CNN为例，实际上是分成了几个subnetwork，第一个用来在整张图上做比较耗时的conv，这些操作与region无关，是计算共享的。第二个subnetwork是用来产生候选的boundingbox（如RPN），第三个subnetwork用来分类或进一步对box进行regression（如Fast RCNN），这个subnetwork和region是有关系的，必须每个region单独跑网络，衔接在这个subnetwork和前两个subnetwork中间的就是ROI pooling。我们希望的是，耗时的卷积都尽量移到前面共享的subnetwork上。因此，和Faster RCNN中用的ResNet（前91层共享，插入ROI pooling，后10层不共享）策略不同，本文把所有的101层都放在了前面共享的subnetwork。最后用来prediction的卷积只有1层，大大减少了计算量。

方法细节

• Backbone architecture:ResNet 101——去掉原始ResNet101的最后一层全连接层，保留前100层，再接一个1*1*1024的全卷积层（100层输出是2048，为了降维，再引入了一个1*1的卷积层）。
• k^2(C+1)的conv: ResNet101的输出是W*H*1024，用K^2(C+1)个1024*1*1的卷积核去卷积即可得到K^2(C+1)个大小为W*H的position sensitive的score map。这步的卷积操作就是在做prediction。k = 3，表示把一个ROI划分成3*3，对应的9个位置分别是：上左（左上角），上中，上右，中左，中中，中右，下左，下中，下右（右下角），如图Figuire 3。

• k^2(C+1)个feature map的物理意义:共有k*k = 9个颜色，每个颜色的立体块（W*H*(C+1)）表示的是不同位置存在目标的概率值（第一块黄色表示的是左上角位置，最后一块淡蓝色表示的是右下角位置）。共有k^2*(C+1)个feature map。每个feature map，z(i,j,c)是第i+k(j-1)个立体块上的第c个map（1<= i,j <=3）。(i,j)决定了9种位置的某一种位置，假设为左上角位置（i=j=1），c决定了哪一类，假设为person类。在z(i,j,c)这个feature map上的某一个像素的位置是（x,y），像素值是value，则value表示的是原图对应的(x,y)这个位置上可能是人（c=‘person’）且是人的左上部位（i=j=1）的概率值。
• ROI pooling: 就是faster RCNN中的ROI pooling，也就是一层的SPP结构。主要用来将不同大小的ROI对应的feature map映射成同样维度的特征，思路是不论对多大的ROI，规定在上面画一个n*n 个bin的网格，每个网格里的所有像素值做一个pooling（平均），这样不论图像多大，pooling后的ROI特征维度都是n*n。注意一点ROI pooling是每个feature map单独做，不是多个channel一起的。
• ROI pooling的输入和输出：ROI pooling操作的输入（对于C+1个类）是k^2*(C+1)*W' *H'（W'和H'是ROI的宽度和高度）的score map上某ROI对应的那个立体块，且该立体块组成一个新的k^2*(C+1)*W' *H'的立体块：每个颜色的立体块（C+1）都只抠出对应位置的一个bin，把这k*k个bin组成新的立体块，大小为（C+1）*W'*H'。例如，下图中的第一块黄色只取左上角的bin，最后一块淡蓝色只取右下角的bin。所有的bin重新组合后就变成了类似右图的那个薄的立体块（图中的这个是池化后的输出，即每个面上的每个bin上已经是一个像素。池化前这个bin对应的是一个区域，是多个像素）。ROI pooling的输出为为一个（C+1）*k*k的立体块，如下图中的右图。更详细的有关ROI pooling的操作如公式（1）所示：

• vote投票：k*k个bin直接进行求和（每个类单独做）得到每一类的score，并进行softmax得到每类的最终得分，并用于计算损失

• 损失函数：和faster RCNN类似，由分类loss和回归loss组成，分类用交叉熵损失（log loss），回归用L1-smooth损失

• 训练的样本选择策略：online hard example mining (OHEM，参考文献1) 。主要思想就是对样本按loss进行排序，选择前面loss较小的，这个策略主要用来对负样本进行筛选，使得正负样本更加平衡。
• 训练细节：

• decay = 0.0005
• momentum = 0.9
• single-scale training: images are resized such that the scale (shorter side of image) is 600 pixels [6, 18].
• 8 GPUs (so the effective mini-batch size is 8×), each GPU holds 1 image and selects B = 128 RoIs for backprop.
• fine-tune learning rate = 0.001 for 20k mini-batches,  0.0001 for 10k mini-batches on VOC.
• the 4-step alternating training between training RPN and training R-FCN.（类似于Faster RCNN）
• 使用atrous（hole算法）

实验结果

VOC2007和VOC2010上与Faster R-CNN的对比：R-FCN比Faster RCNN好！

深度影响对比：101深度最好！

候选区域选择算法对比：RPN比SS，EB好！（其中EB见： ）

COCO库上与Faster R-CNN的对比：R-FCN比Faster RCNN好！

效果示例：

总结

• R-FCN是在Faster R-CNN的框架上进行改造，第一，把base的VGG16换车了ResNet，第二，把Fast R-CNN换成了先用卷积做prediction，再进行ROI pooling。由于ROI pooling会丢失位置信息，故在pooling前加入位置信息，即指定不同score map是负责检测目标的不同位置。pooling后把不同位置得到的score map进行组合就能复现原来的位置信息。

参考文献

1. A. Shrivastava, A. Gupta, and R. Girshick. Training region-based object detectors with online hard example mining. In CVPR, 2016.