一文彻底搞懂SOTA模型 - Faster R-CNN（2016） 原创

Faster R-CNN是一种基于卷积神经网络（CNN）的目标检测算法，旨在实现高效、准确的目标检测。它主要包括特征提取器、区域提议网络（RPN）和分类器三个部分，这三个部分协同工作，使得Faster R-CNN能够在单个神经网络中同时实现目标检测和特征提取。

在ILSVRC2016的图像目标检测任务中，国内团队大放异彩，包揽了该任务的前五名。这些团队大多采用了ResNet/Inception网络结合Faster R-CNN框架的方法，并注重网络的预训练、改进RPN（Region Proposal Network）、利用Context信息等策略来提升检测性能。

Faster R-CNN

一、Faster R-CNN

Faster R-CNN是什么？Faster R-CNN是一种用于目标检测的深度学习模型，它结合了卷积神经网络（CNN）和区域提议网络（RPN）来实现高效和准确的目标检测。

目标检测（Object Detection）是计算机视觉中的一项任务，旨在识别图像或视频中的目标物体，并确定其位置（如边界框）和类别。

Faster R-CNN能够识别图像中的多个目标，并给出它们的位置和类别信息。它利用CNN提取图像特征，通过RPN生成候选区域，经RoI Pooling/Align处理后，分类器预测类别，回归器微调边界框，实现目标检测。

什么是区域提议网络（Region Proposal Network，RPN）？RPN是Faster R-CNN架构中的一个关键组件，它主要用于生成可能包含目标物体的候选区域（也称为提议区域或锚框）。

RPN首先接收由卷积神经网络（如VGG、ResNet等）提取的图像特征图作为输入。然后在特征图上，RPN使用一种滑动窗口的方法来扫描图像，生成多个预定义的锚框。这些锚框有不同的尺寸和比例，以覆盖不同形状和大小的目标物体。

最后RPN预测两个输出，一个是锚框包含目标物体的概率（对象分数），另一个是边界框回归调整参数。对象分数用于区分前景（含有目标物体）与背景，而边界框回归调整参数则用于精调锚框的位置，以更准确地匹配到真实目标物体。

什么是感兴趣区域池化（RoI Pooling）？RoI Pooling是一种常用于目标检测中的技术，主要用于将不同大小的候选区域（Region of Interest，RoI）统一到相同的尺寸，方便后续的处理，如分类或边界框回归。

什么是感兴趣区域对齐（RoI Align）？RoI Align的主要功能是从特征图中提取固定大小的特征区域，这些特征区域对应于输入的边界框。与RoI Pooling相比，RoI Align能够更精确地提取特征，避免了量化误差，从而提高了目标检测的准确性。

二、网络结构

Faster R-CNN的网络结构是什么？Faster R-CNN利用预训练的卷积神经网络提取特征，通过区域提议网络（RPN）生成候选区域，经过ROI Pooling将候选区域特征转换为固定大小，最后通过分类和回归网络对候选区域进行类别判断和边界框优化，并采用多任务损失函数进行训练。

1、特征提取部分

Faster R-CNN通常使用预训练的卷积神经网络（CNN），如VGG或ResNet，作为特征提取器。将输入图像通过一系列卷积层和池化层，提取出特征映射（Feature Map）。此过程将输入图像转换为更小的高维特征表示，保留重要的视觉信息。

2、区域提议网络（RPN）

RPN是Faster R-CNN的关键创新点之一，它直接从基础网络生成的特征图中产生候选区域。RPN利用3×3滑动窗口在特征图上遍历，为每个位置生成锚框，并通过分类分支预测锚框的前景/背景概率，通过回归分支输出边界框偏移量，从而判断锚框是否包含对象并调整其位置以匹配真实对象。

3、ROI Pooling（Region of Interest Pooling）

Faster R-CNN将通过RPN获得的候选区域在特征映射上进行ROI Pooling，将不规则大小的候选区域变换为固定大小的特征图，以便后续的全连接层处理。

4、分类和回归网络

Faster R-CNN将ROI Pooling后的特征被送入两个并行的全连接层。一个负责对候选区域进行类别分类，判断目标类别；另一个则进一步优化候选区域的坐标，进行边界框回归，进一步调整目标框位置和大小。

5、损失函数

Faster R-CNN的训练涉及到多个子任务，因此采用了多任务损失函数。总损失是由分类损失（交叉熵损失Cross Entropy Loss）和回归损失（平滑L1损失Smooth L1 Loss）组成。

分类损失用于训练RPN和分类分支；回归损失则用于优化RPN提出的边界框以及最终输出的边界框。

本文转载自公众号架构师带你玩转AI 作者：AllenTang

原文链接：​​https://mp.weixin.qq.com/s/uS0nedFxe3H4JaYGO3hIPg​​