1. 从R-CNN到Faster R-CNN
论文： 《Rich feature hierarchies for accurate object detection and semantic segmentation》
发表年份：2013
RCNN(Regions with CNN features)是将CNN用到目标检测的一个里程碑，借助CNN良好的特征提取和分类性能，通过RegionProposal方法实现目标检测问题的转化。
Region proposal是一类传统的候选区域生成方法，论文使用 selective search 生成大约2k个候选区域（先用分割手段将图片完全分割成小图，再通过一些合并规则，将小图均匀的合并，经过若干次合并，直到合并成整张原图），然后将proposal的图片进行归一化(大小为217*217)用于CNN的输入。
对每个Region proposal使用CNN提取出一个4096维的特征向量
3.1 CNN提取的特征输入到SVM分类器中，对region proposal进行分类，与 ground-truth box的IoU大于0.5的为正样本，其余为负样本。论文中每个图片正样本个数为32负样本个数为96。得到所有region proposals的对于每一类的分数，再使用贪心的非极大值抑制方法对每一个SVM分类器类去除相交的多余的框。
3.2 使用一个线性回归器对bounding box进行修正，proposal bounding box的大小位置与真实框的转换关系如下：
综上，整个网络结构如下：
R-CNN在当年无论是在学术界还是工业界都是具有创造性的，但是现在来看RCNN主要存在下面三个问题：
1）多个候选区域对应的图像需要预先提取，占用较大的磁盘空间；
2）针对传统CNN需要固定尺寸（217*217）的输入图像，crop/warp（归一化）产生物体截断或拉伸，丧失或者改变了图片本身的信息；
3）每一个ProposalRegion都需要进入CNN网络计算，上千个Region存在大量的范围重叠，重复的CNN特征提取导致巨大的计算浪费。
论文： 《Spatial Pyramid Pooling in Deep Convolutional Networks for Visual Recognition》
发表年份：2015
既然CNN特征提取如此耗时，为什么还要对每个Region proposal进行特征提取，而不是整体进行特征提取，然后在分类之前做一次Region的截取呢，于是就诞生了SPP-Net。
1.解决了CNN需要固定大小输入的变换后导致图片信息丢失或者变化的问题
2.对于一张图，只需要进行一次的特征提取运算，避免了R-CNN中特征重复计算的问题
CNN为什么需要固定大小的输入？
R-CNN中会对图片缩放成217*217的固定大小，从而导致物体发生形变（如下图的上部分所示）。与前面不同，SPP-Net是加在最后一个卷积层的输出的后面，使得不同输入尺寸的图像在经过前面的卷积池化过程后，再经过SPP-net，得到相同大小的feature map，最后再经过全连接层进行分类
以AlexNet为例，经CNN得到conv5输出的任意尺寸的feature map，图中256-d是conv5卷积核的数量。将最后一个池化层pool5替换成SPP layer，将feature map划分成不同大小的网格，分别是`4x4`,`2x2`,`1x1`，每个网格中经过max pooling，从而得到4x4+2x2+1x1=21个特征值，最后将这21个特征值平铺成一个特征向量作为全连接层的输入，这种方式就是 空间金字塔池化 。
与R-CNN不同，SPP-Net中是将整张图片进行一次特征提取，得到整张图片的feature map，然后对feature map中的候选区域（RoIs）经过空间金字塔池化，提取出固定长度的特征向量进入全连接层。
原图候选区域与特征图上的RoIs的转换流程：
综上，整个网络结构如下图。SPP-Net相比R-CNN做了很多优化，但现在来看依然存在一些问题，主要如下：
论文： 《Fast R-CNN》
发表年份：2015
Fast R-CNN是对R-CNN的一个提升版本，相比R-CNN，训练速度提升9倍，测试速度提升213倍，mAP由66%提升到66.9%
主要改进点如下：
多任务损失函数(Multi-task Loss)：
Fast R-CNN将分类和边框回归合并，通过多任务Loss层进一步整合深度网络，统一了训练过程。分为两个损失函数：分类损失和回归损失。分类采用softmax代替SVM进行分类，共输出N(类别)+1(背景)类。softmax由于引入了类间竞争，所以分类效果优于SVM，SVM在R-CNN中用于二分类。回归损失输出的是4*N(类别)，4表示的是(x,y,w,h分别表示候选框的中心坐标和宽、高)。
SVD对全连接层进行分解：
由于一张图像约产生2000个RoIs，将近一半多的时间用在全连接层计算，为了提高运算速度，使用 SVD(奇异值分解) 对全连接层进行变换来提高运算速度。一个大的矩阵可以近似分解为三个小矩阵的乘积，分解后的矩阵的元素数目远小于原始矩阵的元素数目，从而达到减少计算量的目的。通过对全连接层的权值矩阵进行SVD分解，使得处理一张图像的速度明显提升。
论文： 《Faster R-CNN: Towards Real-Time Object Detection with Region Proposal Networks》
发表年份：2016
SPP-Net和Fast R-CNN都有一个非常耗时的候选框选取的过程，提取候选框最常用的SelectiveSearch方法，提取一副图像大概需要2s的时间，改进的EdgeBoxes算法将效率提高到了0.2s，但是还是比较耗时。
Fast R-CNN中引入Region Proposal Network(RPN)替代Selective Search，同时引入anchor box应对目标形状的变化问题（anchor就是位置和大小固定的box，可以理解成事先设置好的固定的proposal）
Region Proposal Network：
RPN的核心思想是候选框的提取不在原图上做，而是在feature map上做，这意味着相比原图更少的计算量。在Faster R-CNN中，RPN是单独的分支，通过RPN提取候选框并合并到深度网络中。
多尺度先验框：
RPN网络的特点在于通过滑动窗口的方式实现候选框的提取，每个滑动窗口位置生成9个候选窗口（不同尺度、不同宽高），提取对应9个候选窗口（anchor）的特征，用于目标分类和边框回归，与FastRCNN类似。
anchor的生成规则有两个：调整宽高比和放大。如下图所示，假设base_size为16，按照1:2,1:1,2:1三种比例进行变换生成下图上部分三种anchor；第二种是将宽高进行三种倍数放大，2^3=8，2^4=16，2^5=32倍的放大，如16x16的区域变成(16*8)*(16*8)=128*128的区域，(16*16)*(16*16)=256*256的区域，(16*32)*(16*32)=512*512的区域。
训练过程中，涉及到的候选框选取，选取依据如下：
从模型训练的角度来看，通过使用共享特征交替训练的方式，达到接近实时的性能，交替训练方式为：
Faster R-CNN实现了端到端的检测，并且几乎达到了效果上的最优，有些基于Faster R-CNN的变种准确度已经刷到了87%以上。速度方面还有优化的余地，比如Yolo系列（Yolo v1/v2/v3/v4）。对于目标检测，仍处于一个探索和高度发展的阶段，还不断有更优的模型产生。
2. SPP-net文章详细解读
文章 《Spatial Pyramid Pooling in Deep Convolutional Networks for Visual Recognition》 是在RCNN之后，是对RCNN的改进(关于RCNN可以查看 R-CNN文章详细解读 )，先给出SPP-net总的框架图如下
该文章主要改进两点：
1. CNN需要固定输入图像的尺寸，导致不必要的精度损失
2. R-CNN对候选区域进行重复卷积计算，造成计算冗余
1.为什么CNNs要固定输入图像的尺寸？
CNN主要有两部分组成：卷积层和全连接层。卷积层以滑动窗口方式操作并输出表示各个响应激活空间分布的特征图。实际上，卷积层不需要输入的图像尺寸固定，并且可以产生任意尺寸的特征图。但另一方面，完全连接层需要具有固定大小/长度的输入。 因此，固定输入大小的约束只是来自存在于网络更深层阶段的全连接层。
解决办法(对比R-CNN, SPP-net)：
如下图所示
第一行中的图像即为要求固定尺寸输入的CNN对图像的处理方式
第二行为要求固定尺寸输入的CNN (如R-CNN)的处理流程，先将图片按照类似第一行中的方式进行处理，然后输入卷积以及全连接层，最后输出结果
第三行为SPP-net的处理方式，不固定图像的大小，直接输入给卷积层处理，卷积出来的特征并不是直接输入给全连接层，而是先给SPP层处理，然后得到一个固定长度的输出传给全连接层，最后输出结果。
2.R-CNN为什么会有计算冗余？
如下图所示
R-CNN对于一张图片，先使用segment seletive方法提取出约2000个候选区域，然后将这两千个候选区域分别送入网络中，即一张图片要经历2000次前向传播，这样会造成大量冗余。
SPP-net则提出了一种从候选区域到全图的特征(feature map)之间的对应映射关系，通过此种映射关系可以直接获取到候选区域的特征向量，不需要重复使用CNN提取特征，从而大幅度缩短训练时间。每张图片只需进行一次前向传播即可。
下面来详细讲解一下改进的方法：
1.SPP层(spatial pyramid pooling)
首先要明确的是这一层的位置，这一层加在最后一个卷积层与全连接层之间，目的就是为了输出固定长度的特征传给要求固定输入的全连接层
SPP层的结构如下图所示
SPP层的输入：
如下图灰色框所示
最后一层卷积输出的特征(我们称为feature map)，feature map为下图的黑色部分表示，SPP层的输入为与候选区域对应的在feature map上的一块区域
上面这句话可能有点绕，我们可以理解为一张图有约2000个候选区域，而对一张图做完卷积后得到feature map，在这个feature map上也有约2000个与候选区域对应的区域(这里的对应关系下面会详细讲解)
SPP层的输出：
SPP layer分成1x1，2x2，4x4三个pooling结构(这部分结构如下图所示)，对每个输入(这里每个输入大小是不一样的)都作max pooling(论文使用的)，出来的特征再连接到一起，就是(16+4+1)x256的特征向量。
无论输入图像大小如何，出来的特征固定是(16+4+1)x256维度。这样就实现了不管图像中候选区域尺寸如何，SPP层的输出永远是(16+4+1)x256特征向量。
2.候选区域在原图与feature map之间的映射关系
这部分的计算其实就是感受野大小的计算。
在CNN中感受野(receptive fields)是指某一层输出结果中一个元素所对应的上一层的区域大小，如下图所示。
先定义几个参数，参数的定义参考吴恩达在cousera讲解中对符号的定义，然后再讲解怎么计算
输入的尺寸大小与输出的尺寸大小有如下关系：
上面是区域尺寸大小的对应关系，下面看一下坐标点之间的对应关系
SPP-net对上面的坐标对应关系作了一定的简化，简化过程如下：
而 是坐标值，不可能取小数 所以基本上可以认为 。公式得到了化简：感受野中心点的坐标 只跟前一层 有关。
那么对于下图的做法，就是SPP-net的映射方法，SPP-net 是把原始ROI的左上角和右下角 映射到 feature map上的两个对应点。 有了feature map上的两队角点就确定了 对应的 feature map 区域(下图中橙色)。
从原图坐标 到特征图中坐标 的映射关系为
到这里就把SPPNet的核心思想讲完了，SPPNet网络后面和R-CNN类似，详细参考 R-CNN文章详细解读 。该文章还用这些思想做了图像分类的实验，感兴趣可以细读原文的分类部分。
参考：
3. R-CNN和Mask R-CNN在图像分割中的应用史
姓名：王咫毅
学号：19021211150
【嵌牛导读】机器学习成为现在研究的一大热门，而机器学习所应用到的领域图像处理 目标检测 图像分割都已经日趋成熟，而cnn是如何应用到图像分割里边的呢？而其发展过程又有哪些呢？
【嵌牛鼻子】机器学习 cnn
【嵌牛提问】r-cnn和mask r-cnn有什么区别？两者又是怎么形成的？
【嵌牛正文】
在 Athelas (Athelas 通过深度学习进行血液诊断)，我们使用卷积神经网络（CNN）不仅仅是分类！在这篇文章中，我们将看到如何在图像实例分割中使用CNN，效果很好。
自从 Alex Krizhevsky，Geoff Hinton和Ilya Sutskever在2012年赢得ImageNet以来 ，卷积神经网络（CNNs）已经成为图像分类的黄金标准。事实上，从那时起，CNN已经改进到现在他们在ImageNet挑战中胜过人类的程度！
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CNN现在在ImageNet挑战中胜过人类。上图中的y轴是ImageNet上的错误率。
虽然这些结果令人印象深刻，但图像分类远比真人类视觉理解的复杂性和多样性简单得多。
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分类挑战中使用的图像示例。请注意图像是如何构图良好的，并且只有一个对象。
在分类中，通常有一个图像，其中一个对象作为焦点，任务是说该图像是什么（见上文）。但是，当我们观察周围的世界时，我们会执行更复杂的任务。
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现实生活中的景点通常由许多不同的，重叠的物体，背景和动作组成。
我们看到复杂的景点有多个重叠的物体和不同的背景，我们不仅要对这些不同的物体进行分类，还要确定它们之间的界限，差异和关系！
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CNN可以帮助我们完成这些复杂的任务吗？也就是说，给定一个更复杂的图像，我们可以使用CNN来识别图像中的不同对象及其边界吗？正如Ross Girshick和他的同龄人在过去几年所表明的那样，答案是肯定的。
这篇文章的目标
通过这篇文章，我们将介绍在对象检测和分割中使用的一些主要技术背后的直觉，并了解它们是如何从一个实现发展到下一个实现的。特别是，我们将介绍R-CNN（地区CNN），这是CNN对此问题的原始应用，以及其后代Fast R-CNN和Faster R-CNN。最后，我们将介绍最近由Facebook Research发布的一篇文章Mask R-CNN，它扩展了这种对象检测技术以提供像素级分割。以下是本文中引用的论文：
R-CNN： https ： //arxiv.org/abs/1311.2524
Fast R-CNN： https ： //arxiv.org/abs/1504.08083
Faster R-CNN： https ： //arxiv.org/abs/1506.01497
Mask R-CNN： https ： //arxiv.org/abs/1703.06870
2014年：R-CNN - CNN在物体检测中的早期应用
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诸如R-CNN的对象检测算法接收图像并识别图像中主要对象的位置和分类。
受多伦多大学Hinton实验室研究的启发，由Jitendra Malik教授领导的加州大学伯克利分校的一个小团队问自己，今天看来是一个不可避免的问题：
在多大程度上[Krizhevsky等。al的结果]推广到物体检测？
对象检测的任务是在图像中查找不同的对象并对其进行分类（如上图所示）。由Ross Girshick（我们将再次看到的名字），Jeff Donahue和Trevor Darrel组成的团队发现，通过测试PASCAL VOC Challenge，这是一种类似于ImageNet的流行物体检测挑战，Krizhevsky的结果可以解决这个问题。他们写，
本文首次表明，与基于简单HOG类功能的系统相比，CNN可以在PASCAL VOC上实现更高的物体检测性能。
现在让我们花一点时间来了解他们的架构，CNNs区域（R-CNN）是如何工作的。
了解R-CNN
R-CNN的目标是接收图像，并正确识别图像中主要对象（通过边界框）的位置。
输入 ：图像
输出 ：图像中每个对象的边界框+标签。
但是我们如何找出这些边界框的位置？R-CNN做了我们可能直观地做的事情 - 在图像中 提出 一堆框，看看它们中的任何一个是否实际上对应于一个对象 。
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选择性搜索查看多个比例的窗口，并查找共享纹理，颜色或强度的相邻像素
R-CNN使用称为选择性搜索的过程创建这些边界框或区域提议，您可以在 此处 阅读。在较高的层次上，选择性搜索（如上图所示）通过不同大小的窗口查看图像，并且对于每个尺寸，尝试通过纹理，颜色或强度将相邻像素组合在一起以识别对象。
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在创建一组区域提议后，R-CNN通过AlexNet的修改版本传递图像，以确定它是否是有效区域。
一旦提出建议，R-CNN将该区域变为标准的方形大小，并将其传递给AlexNet的修改版本（ImageNet 2012的获奖提交，启发了R-CNN），如上所示。
在CNN的最后一层，R-CNN增加了一个支持向量机（SVM），它简单地分类这是否是一个对象，如果是的话，是什么对象。这是上图中的第4步。
改进边界框
现在，在盒子里找到了这个物体，我们可以收紧盒子以适应物体的真实尺寸吗？我们可以，这是R-CNN的最后一步。R-CNN对区域提议运行简单的线性回归，以生成更紧密的边界框坐标以获得最终结果。以下是此回归模型的输入和输出：
输入 ：与对象对应的图像的子区域。
输出 ：子区域中对象的新边界框坐标。
总而言之，R-CNN只是以下步骤：
1.为边界框生成一组提议。
2.通过预先训练的AlexNet运行边界框中的图像，最后运行SVM，以查看框中图像的对象。
3.通过线性回归模型运行该框，一旦对象被分类，就为框输出更紧密的坐标。
2015年：快速R-CNN - 加速并简化R-CNN
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Ross Girshick写了R-CNN和Fast R-CNN。他继续在Facebook Research推动计算机视觉的界限。
R-CNN效果很好，但由于一些简单的原因，它确实很慢：
它需要CNN（AlexNet）的正向传递，用于每个单个图像的每个区域建议（每个图像大约2000个前向传递！）。
它必须分别训练三个不同的模型 - 用于生成图像特征的CNN，用于预测类的分类器，以及用于收紧边界框的回归模型。这使得管道极难训练。
2015年，R-CNN的第一作者Ross Girshick解决了这两个问题，导致了我们短暂历史中的第二个算法 - 快速R-CNN。现在让我们回顾一下它的主要见解。
Fast R-CNN洞察力1：RoI（感兴趣区域）池
对于CNN的前向传递，Girshick意识到对于每个图像，图像的许多建议区域总是重叠，导致我们一次又一次地运行相同的CNN计算（~2000次！）。他的洞察力很简单 - 为什么不在每张图像上运行CNN一次，然后找到一种方法来分享〜2000个提案中的计算？
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在RoIPool中，创建图像的完整前向传递，并从所得到的前向传递中提取每个感兴趣区域的conv特征。
这正是Fast R-CNN使用称为RoIPool（感兴趣区域池）的技术所做的事情。在其核心，RoIPool分享CNN的前向传递，以在其子区域中形成图像。在上图中，请注意如何通过从CNN的要素图中选择相应的区域来获取每个区域的CNN要素。然后，汇集每个区域中的要素（通常使用最大池）。所以我们所需要的只是原始图像的一次传递而不是~2000！
快速R-CNN洞察力2：将所有模型组合到一个网络中
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快速R-CNN将CNN，分类器和边界框回归器组合成一个单一网络
Fast R-CNN的第二个见解是在单个模型中联合训练CNN，分类器和边界框回归器。之前我们有不同的模型来提取图像特征（CNN），分类（SVM）和收紧边界框（回归量），而 快速R-CNN则使用单个网络来计算所有三个。
您可以在上图中看到这是如何完成的。快速R-CNN用在CNN顶部的softmax层替换SVM分类器以输出分类。它还添加了一个与softmax图层平行的线性回归图层，以输出边界框坐标。这样，所需的所有输出都来自一个网络！以下是此整体模型的输入和输出：
输入 ：带有区域提案的图像。
输出 ：每个区域的对象分类以及更严格的边界框。
2016年：更快的R-CNN - 加速地区提案
即使有了所有这些进步，快速R-CNN过程仍然存在一个瓶颈 - 区域提议者。正如我们所看到的，检测对象位置的第一步是生成一堆潜在的边界框或感兴趣的区域进行测试。在Fast R-CNN中，这些提议是使用 选择性搜索 创建的，这是一个相当缓慢的过程，被发现是整个过程的瓶颈。
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微软研究院的首席研究员孙健带领团队领导更快的R-CNN。
在2015年中期，由Shaoqing Ren，Kaiming He，Ross Girshick和Jian Sun组成的微软研究团队找到了一种方法，通过他们（创造性地）命名为快速R-CNN的架构，使该区域提案步骤几乎免费。
更快的R-CNN的见解是区域建议取决于已经通过CNN的前向传递（分类的第一步）计算的图像的特征。 那么为什么不为区域提案重用那些相同的CNN结果而不是运行单独的选择性搜索算法呢？
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在Faster R-CNN中，单个CNN用于区域提议和分类。
实际上，这正是R-CNN团队更快取得的成就。在上图中，您可以看到单个CNN如何用于执行区域提议和分类。这样， 只有一个CNN需要接受培训 ，我们几乎可以免费获得地区建议！作者写道：
我们的观察结果是，基于区域的探测器（如Fast R-CNN）使用的卷积特征图也可用于生成区域提议[从而实现几乎无成本的区域提议]。
以下是其模型的输入和输出：
输入 ：图像（注意不需要区域提议）。
输出 ：图像中对象的分类和边界框坐标。
如何生成区域
让我们花点时间看看R-CNN如何通过CNN功能更快地生成这些区域提案。Faster R-CNN在CNN的功能之上增加了一个完全卷积网络，创建了所谓的 区域提案网络 。
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区域提案网络在CNN的功能上滑动窗口。在每个窗口位置，网络输出每个锚点的分数和边界框（因此4k框坐标，其中k是锚的数量）。
区域提议网络通过在CNN特征映射和每个窗口上传递滑动窗口来工作，输出 k个 潜在的边界框以及每个框预期有多好的分数。这些 k 盒代表什么？
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我们知道人们的边界框往往是矩形和垂直的。我们可以通过创建这样的维度锚来利用这种直觉来指导我们的区域提案网络。
直觉上，我们知道图像中的对象应该适合某些常见的宽高比和大小。例如，我们知道我们想要一些类似于人类形状的矩形盒子。同样，我们知道我们不会看到很多非常薄的盒子。以这种方式，我们创建 k 这样的常见宽高比，我们称之为 锚盒 。对于每个这样的锚箱，我们输出一个边界框并在图像中的每个位置得分。
考虑到这些锚框，我们来看看这个区域提案网络的输入和输出：
输入 ：CNN功能图。
输出 ：每个锚点的边界框。表示该边界框中图像成为对象的可能性的分数。
然后，我们将可能是对象的每个这样的边界框传递到Fast R-CNN，以生成分类和收紧的边界框。
2017：Mask R-CNN - 扩展更快的R-CNN以实现像素级分割
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图像实例分割的目标是在像素级别识别场景中不同的对象是什么。
到目前为止，我们已经看到我们如何能够以许多有趣的方式使用CNN功能来有效地定位带有边界框的图像中的不同对象。
我们是否可以扩展这些技术以进一步找到每个对象的精确像素而不仅仅是边界框？这个问题被称为图像分割，是Kaiming He和包括Girshick在内的一组研究人员在Facebook AI上使用一种名为 Mask R-CNN 的架构进行探索的。
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Facebook AI的研究员Kaiming He是Mask R-CNN的主要作者，也是Faster R-CNN的合着者。
就像Fast R-CNN和Faster R-CNN一样，Mask R-CNN的潜在直觉也是直截了当的。鉴于Faster R-CNN在物体检测方面的效果非常好，我们是否可以扩展它以进行像素级分割？
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在掩码R-CNN中，在快速R-CNN的CNN特征之上添加完全卷积网络（FCN）以生成掩码（分段输出）。注意这与Faster R-CNN的分类和边界框回归网络并行。
Mask R-CNN通过向更快的R-CNN添加分支来完成此操作，该分支输出二进制掩码，该Mask 表示给定像素是否是对象的一部分。与以前一样，分支（上图中的白色）只是基于CNN的特征映射之上的完全卷积网络。以下是其输入和输出：
输入 ：CNN功能图。
输出 ：矩阵在像素属于对象的所有位置上为1，在其他位置为0（这称为 二进制掩码 ）。
但Mask R-CNN的作者不得不进行一次小调整，以使这条管道按预期工作。
RoiAlign - 重新调整RoIPool更准确
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而不是RoIPool，图像通过RoIAlign传递，以便RoIPool选择的特征图的区域更精确地对应于原始图像的区域。这是必需的，因为像素级分割需要比边界框更细粒度的对齐。
当在原始的快速R-CNN架构上运行而没有修改时，Mask R-CNN作者意识到由RoIPool选择的特征图的区域与原始图像的区域略微不对准。由于图像分割需要像素级特异性，与边界框不同，这自然会导致不准确。
作者能够通过巧妙地调整RoIPool来解决这个问题，使用一种称为RoIAlign的方法进行更精确的对齐。
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我们如何准确地将感兴趣的区域从原始图像映射到特征图？
想象一下，我们有一个大小为 128x128 的图像和一个大小为 25x25 的特征图。让我们想象一下，我们想要的特征区域对应于原始图像中左上角的 15x15 像素（见上文）。我们如何从要素图中选择这些像素？
我们知道原始图像中的每个像素对应于特征图中的~25 / 128像素。要从原始图像中选择15个像素，我们只选择15 * 25 / 128~ = 2.93 像素。
在RoIPool中，我们将它向下舍入并选择2个像素，导致轻微的错位。但是，在RoIAlign中， 我们避免了这种舍入。 相反，我们使用 双线性插值 来准确了解像素2.93处的内容。这在很大程度上是允许我们避免RoIPool引起的错位的原因。
生成这些掩模后，Mask R-CNN将它们与Faster R-CNN中的分类和边界框组合在一起，生成如此精确的分割：
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Mask R-CNN能够对图像中的对象进行分段和分类。
期待
在短短3年时间里，我们已经看到研究界如何从Krizhevsky等进步。al的原始结果是R-CNN，最后一直到Mask R-CNN这样强大的结果。孤立地看，像面具R-CNN这样的结果看起来像天才的难以置信的飞跃，是无法接近的。然而，通过这篇文章，我希望你已经看到这些进步如何通过多年的努力和合作实现直观，渐进的改进。R-CNN，Fast R-CNN，Faster R-CNN以及最后的Mask R-CNN提出的每个想法都不一定是量子跳跃，但它们的总和产品已经产生了非常显着的结果，使我们更接近人类水平了解视力。
让我特别兴奋的是，R-CNN和Mask R-CNN之间的时间只有三年！通过持续的资金，关注和支持，未来计算机视觉能够进一步提升？
4. 超详细解读Faster R-CNN-FPN
2021年了，竟然还有人写关于Faster R-CNN的文章？我的原因主要有两点：
我们先从全局上了解Faster R-CNN-FPN，然后再关注其中涉及的细节。下面是Faster R-CNN-FPN的网络框架图（或称为tensor流动图）。
众所周知，Faster R-CNN-FPN（主要是Faster R-CNN）是个两阶段的对象检测方法，主要由两部分网络组成，RPN和Fast R-CNN。
RPN的作用是以bouding box（后简称为box）的方式预测出图片中对象可能的位置，并过滤掉图片中绝大部分的背景区域，目标是达到尽量召回图像中感兴趣的对象，预测box尽量能够与实际对象的box贴合，并且保证一定的预测精度（Precision）。另外，RPN并不需要指出预测的box中对象具体的类别，RPN预测的box称为RoI（Region of Interest），由于是以box的方式输出，所以后面我们统一将其称为proposal box。
Fast R-CNN则是在FPN预测的proposal box基础上进一步预测box中对象具体的类别，并对proposal box进行微调，使得最终预测的box尽量贴合目标对象。大致的做法是根据RPN预测的proposal box，从原图backbone的feature map上通过RoIPooling或RoIAlign（Faster R-CNN-FPN使用RoIAlign）提取每个proposal box对应区域的feature map，在这些区域feature map上进一步预测box的类别和相对proposal box的偏移量（微调）。另外，RPN和Fast R-CNN共用同一个backbone网络提取图像的feature map，大大减少了推理耗时。
从上面的介绍可以看出，RPN和Fast R-CNN的配合作用其实可以理解为一种注意力机制，先大致确定目标在视野中的位置，然后再锁定目标仔细观察，确定目标的类别和更加精确的位置，简单来说就是look twice，相比单阶段的look once，当然是比较耗时的，但也换来了更好的效果（虽然很多单阶段方法号称已经获得相当或好于两阶段的效果）。
下面以Faster R-CNN-FPN发展顺序的汇总介绍每个改进的核心思想。
在R-CNN中，CNN只被用来作为特征抽取，后接SVM和线性回归模型分别用于分类和box修正回归。在此基础上，Fast R-CNN直接对原输入图进行特征抽取，然后在整张图片的特征图上分别对每个RoI使用RoIPooling提取（后面会介绍RoIPooling的原理）特定长度的特征向量（论文中空降尺寸为7*7），去掉SVM和线性回归模型，在特征向量上直接使用若干FC层进行回归，然后分别使用两个FC分支预测RoI相关的类别和box，从而显着提升速度和预测效果。 整体框架图如下：
在Fast RCNN的基础上进一步优化，用CNN网络代替Fast R-CNN中的region proposal模块（使用传统Selective Search方法），从而实现了全神经网络的检测方法，在召回和速度上都超过了传统的Selective Search。作者将提供proposal region的网络称为RPN（Region Proposal Network），与检测网络Fast RCNN共享同一backbone，大大缩减了推理速度。
RPN在backbone产生的feature map（图中的conv feature map）之上执行 的滑窗操作，每个滑窗范围内的feature map会被映射为多个proposal box（图中的reg layer分支）以及每个box对应是否存在对象的类别信息（图中的cls layer分支）。由于CNN天然就是滑窗操作，所以RPN使用CNN作为窗口内特征的提取器（对应图中的intermediate layer，后面简称为“新增CNN层”），窗口大小 ，将feature map映射为较低维的feature map以节省计算量（论文中为256）。虽然只使用了 的卷积，但是在原图上的有效的感受野还是很大的，感受野大小不等于网络的降采样率，对于VGG网络，降采样率为16，但是感受野为228像素。类似于Fast-RCNN，为了分别得到box和box对应的类别（此处类别只是表示有没有目标，不识别具体类别），CNN操作之后会分为两个子网络，它们的输入都是新增CNN层输出的feature map，一个子网络负责box回归，一个负责类别回归。由于新增CNN层产生的feature map的每个空间位置的特征（包括通道方向，shape为 ）都被用来预测映射前窗口对应位置是否存在对象（类别）和对象的box，那么使用 的CNN进行计算正合适（等效于FC层），这便是RPN的做法。综上所述，所有滑窗位置共享一个新增CNN层和后续的分类和box回归分支网络。下图是RPN在一个窗口位置上执行计算的原理示意。
由于滑窗操作是通过正方形的CNN卷积实现的，为了训练网络适应不同长宽比和尺寸的对象，RPN引入了anchor box的概念。每个滑窗位置会预置k个anchor box，每个anchor box的位置便是滑窗的中心点，k个anchor box的长宽比和尺寸不同，作者使用了9种，分别是长宽比为 、 和 ，尺寸为 , 和 的9种不同组合。分类分支和box回归分支会将新增CNN层输出的feature map的每个空间位置的tensor（shape为 ）映射为k个box和与之对应的类别，假设每个位置的anchor box数量为k（如前所述， ）,则分类分支输出的特征向量为2k(两个类别)，box回归分支输出为4k（4为box信息，box中心点x坐标、box中心点y坐标、box宽w和box高h）。box分支预测的位置（x,y,w,h）都是相对anchor box的偏移量。从功能上来看，anchor box的作用有点类似于提供给Fast RCNN的propsal box的作用，也表示目标可能出现的位置box，但是anchor box是均匀采样的，而proposal box是通过特征抽取（或包含训练）回归得到的。由此可以看出，anchor box与预测的box是一一对应的。从后文将会了解到，通过anchor box与gt box的IoU的关系，可以确定每个预测box的正负样本类别。通过监督的方式让特定的box负责特定位置、特定尺寸和特定长宽比的对象，模型就学会了拟合不同尺寸和大小的对象。另外，由于预测的box是相对anchor box的偏移量，而anchor box是均匀分布在feature map上的，只有距离和尺寸与gt box接近（IoU较大）的anchor box对应的预测box才会与gt box计算损失，这大大简化了训练，不然会有大量的预测box与gt box计算损失，尤其是在训练初始阶段，当一切都是瞎猜的时候。
在Faster RCNN基础上，将backbone替换为ResNet50或ResNet101，涉及部分细节的改动，我们放在本文的细节部分进行描述。
在Faster RCNN-ResNet基础上，引入FPN（特征金字塔网络）模块，利用CNN网络天然的特征金字塔特点，模拟图像金字塔功能，使得RPN和Fast RCNN可以在多个尺度级别（scale level）的feature map上分别预测不同尺寸的对象，大大提高了Faster RCNN的检测能力。相比图像金字塔大大节省了推理时间。原理如下图所示：
从上图中可以看出，FPN并不是简单地使用backbone的多个CNN层输出的feature map进行box回归和分类，而是将不同层的feature map进行了top-down和lateral connection形式的融合后使用。这样便将CNN网络前向传播（bottom-up）产生的深层语义低分辨率特征与浅层的浅语义高分辨率的特征进行融合，从而弥补低层特征语义抽象不足的问题，类似增加上下文信息。其中，top-down过程只是简单地使用最近邻插值将低分辨率的feature map上采样到即将与之融合的下层feature map相同的尺寸（尺寸上采样到2倍），lateral connection则是先将低层的feature map使用 的卷积缩放为即将与之融合的上层feature map相同的通道数（减少计算量），然后执行像素级相加。融合后的feature map不仅会用于预测，还会继续沿着top-down方向向下传播用于下层的特征融合，直到最后一层。
mask R-CNN提出的RoI Align缓解了RoIPooling的缺陷，能够显着提升小目标物体的检测能力。网上介绍RoIPooling和RoIAlign的文章很多，此处不再赘述，推荐阅读个人觉得比较好的两篇博客： RoIPooling 和 RoIAlign 。
此处稍微啰嗦下个人对RoIPooling的思考： 为什么RoIPooling不使用自适应的池化操作，即根据输入的feature map的尺寸和希望输出的feature map尺寸，自动调整池化窗口的大小和步长以计算想要尺寸的feature map，类似于自适应池化操作，而不是将输入的feature map划分成均匀的小区域（bins，论文中划分为 个bins），然后每个小区域中分别计算MaxPooling。不管计算上是否高效，至少这种做法在输入的feature map尺寸（比如 ）小于期望的输出feature map尺寸（比如 ）时会失效，因为在3*3的feature map上如果不使用padding的话是无法得到 的特征的，而使用padding又是很低效的操作，因为要扩展局部feature map的尺寸，而使用划分bins的方法，即使输出的feature map尺寸远小于要输出的feature map尺寸，也仅仅是在同一位置采样多次而已。
本人之前介绍YOLOv3的 文章 也介绍过anchor box的作用，再加上本文1.1.2节中的介绍应该比较全面了，不再赘述。
此处的绝大部分细节来自论文，论文中未提及的部分，主要参考了mmdetection中的 实现 。
整个模型的网络结构可以划分为四个部分，分别为backbone、FPN、RPN head和Fast RCNN head。
1.backbone： 原图短边被resize到800像素，这里值得注意的是，如此resize后一个batch内的每张图片的大小很有可能并不一致，所以还无法合并为一个输入矩阵，普遍的做法是将batch内的每张图片的左上角对齐，然后计算resize后batch内所有图片的最大宽和高，最后按照最大宽或高分别对每张图片的宽或高进行0值padding；输出为4个不同尺寸的feature map（C2、C3、C4、C5）。
2.FPN: ResNet backbone产生的4个不同尺寸的feature map（C2、C3、C4、C5）作为输入，输出5个不同尺寸的feature map（P2、P3、P4、P5、P6），P6是对P5进行2倍降采样得到，每个feature map的通道数为固定的256；使用P6的原因是为了预测更大尺寸的对象。
3.RPN：输入为FPN产生的feature map（P2、P3、P4、P5、P6）；由于RPN是在5个输入feature map上进行独立的预测，则每个feature map都会输出 proposal box，因此不可能将所有的proposal box都提供给Fast R-CNN，这里的做法是对每个feature map上产生的proposal box按类别概率进行排序（每个feature map上的proposal box独立进行），然后选择前k个proposal box， 5个feature map一共会 产生 个proposal box，训练时 ，推理时 。最后，将所有的 个proposal box合并后统一进行NMS（IoU threshold=0.7）去掉冗余的box，最后选择前m个输出给Fast R-CNN，训练和测试时m都取1000。
训练时将gt box通过下面的公式转换为相对anchor box的偏移值，与网络的预测计算loss，至于将每个gt与具体的哪个anchor box计算偏移，则需要根据2.3.1节中的正负样本方法来确定。测试时将预测的box通过该公式中的逆运算计算出当前box相对原图的位置和大小， ， , ， 指相对全图的box中心点坐标以及宽和高， ， , ， 指每个anchor相对全图的box中心点坐标以及宽和高。由此可以看出，box回归分支直接预测的便是相对anchor的偏移值，即公式中的 、 、 和 。
以上提到的2000和1000是作为Fast R-CNN的输入proposal box，在训练时参与RPN loss计算的anchor boxs数量为256个，正负样本数量为 ，正样本不足128的用负样本补足。这里的256是从所有feature map中的anchor box中选择的，并非每个feature map都独立取得256个正负样本。这也是合理的，因为每个gt box由于尺寸的原因，几乎不可能与所有feature map上的anchor box的IoU都大于一定的阈值（原因参考2.3.1节）。注意选择前并未进行NMS处理，而是直接根据2.3.1节中确定正负样本的方式确定每个预测box正负类别，然后分别在正样本中随机选择128个正样本，在负样本中随机选择128个负样本。
4.Fast R-CNN：输入为FPN产生的前4个feature map和RPN输出的proposal box，4个feature map为P2、P3、P4、P5，与backbone对应，不使用P6。那么，如何确定在哪个feature map上执行每个proposal box对应的RoIAlign操作并得到 大大小的feature map呢？论文中的做法是通过下面的公式将特定尺寸的proposal box与FPN产生的4个feature map中尺寸最适合的对应起来，即让感受野更接近对象尺寸的feature map预测该对象 ，其中224为backbone在ImageNet上预训练的尺寸，w和h为proposal box的长和宽，k表示适合尺寸为w和h的propsal box的feature map的位置，即4个feature map为P2、P3、P4、P5的下标，k_0为proposal box大致为224*224时对应feature map位置值（ ），表示proposal box大致为 时在P4上执行RoIAlign，小于 时，在P2或P3上执行，大于则在P5上。
网络都会针对每个RoI会输出一个类别概率分布（包括背景类别）和一个相对RoI box的长度为4的box偏移向量。概率分支由softmax激活函数得到。与RPN的类似，训练时，如2.4.2节loss计算中所述，会将gt box通过下面的公式转换为相对proposal box（前提是该RoI是正样本）的偏移量，然后使用loss计算公式直接与预测的相对偏移量进行loss计算；测试时，会通过下列公式的逆运算将偏移值换算回相对原图的位置box，然后使用NMS去掉冗余的box，最终输出。
训练时，通过2.3.2中的方式确定每个proposal box属于正样本或负样本后，随机选择512个样本，其中正负比例为1:3进行loss计算，正样本不足的由负样本补足。
在RPN中，由于每个feature map的每个滑窗位置上的张量（ 维张量，C为feature map的通道数）会被用来预测k个box和每个box对应的类别概率，那么具体哪个box才能参与gt box的损失计算（包括类别和box回归损失）？这便需要在所有预测的box中确定正负样本，因为一个anchor对应一个预测的box和类别，那么确定预测的box是正例还是负例等价于确定anchor box的是正例还是反例。为了便于训练，RPN中使用双IoU阈值的方式确定正负样本，与gt box的IoU为最大或者大于0.7的anchor box被设置为正样本，这会导致一个gt box与多个预测box计算损失，即允许多个box预测同一对象，与gt box的IoU小于0.3的anchor box被设置为负样本，其余的忽略掉，即不参与loss计算。在此基础上，如2.2节中所述，会对正负样本进行随机采样，总数为256，其他不参与损失函数计算。
与gt box的IoU大于0.5的proposal box作为正样本，注意，是将proposal box与gt box计算IoU，Fast-RCNN中的proposal box的作用与anchor box有些类似，即确定正负样本和预测的box 都是针对它们的偏移值 ，其余IoU在 之间的作为负样本，低于0.1的作为难例挖掘时的启发式样本（mmdetection中的做法是单阈值方式，与gt box的IoU大于0.5的proposal box作为正样本，小于的都是负样本）。
Faster R-CNN中是以分步的方式联合训练RPN和Fast R-CNN，大致的过程为：
但在mmdetection中，已经将RPN和Fast R-CNN的loss进行权重加和，从而进行联合训练，训练流程简化很多，且能够达到相同的效果。
确定了每个预测box或anchor box的正负类别后，便可以计算损失函数了，类似于Fast RCNN的做法，只有正样本的box才会参与box损失计算，损失函数如下：
为类别损失为类别损失函数，使用交叉熵损失， 为box回归损失，使用smooth L1损失，论文中平衡因子lambda为10。 表示第i个anchor box对应的gt 类别（背景为0，对象为1）， 为gt box相对anchor box的偏移量（如果该anchor box被确定为正样本），通过下面的公式计算得到， 即表示只有 ，即为正样本时才会计算box的损失。
Fast R-CNN的loss类似于RPN，只有proposal box为非背景类别（正样本）时才计算box损失， 为类别损失， 为box损失， 表示proposal box的 ， 时表示背景（通过2.3.2的方式确定proposal box的类别）。 为平衡因子，作者所有实验中 。为了防止box回归的L2 loss放大噪声（异常loss）从而影响训练，作者将L2 loss修改为 loss，当box尺寸的差异较大时使用L1 loss，抑制异常值对梯度的贡献。
其中v是通过下面的公式将gt box（ , , , ）转换得到，其中，（ , , , ）为proposal box的在原图中的中心点坐标和宽与高。
在Faster R-CNN和Faster R-CNN-ResNet中，由于RPN只是在单尺寸的feature map上进行滑窗，为了缓解多尺寸的问题，每个滑窗位置会设计多个尺寸的anchor，但是在Faster R-CNN-FPN中使用了FPN，则天然就具有了适应对象多尺寸的问题，因此不用再为每个滑窗设计多个尺寸的anchor。即在Faster RCNN-FPN中，为每种尺寸feature map上的滑窗只设计了单一尺寸多种长宽比的anchor，长宽比有 、 和 ，不同feature map上anchor的尺寸为： , , , 和 ，依次对应P2、P3、P4、P5和P6。
COCO上的训练细节：RPN的weight decay为0.0001，SGD的 ，初始学习率为0.002，学习率调整使用step decay方式。
5. 经典目标检测算法介绍
姓名：牛晓银；学号：20181213993；学院：计算机科学与技术
转自：https://zhuanlan.hu.com/p/34142321
【嵌牛导读】：目标检测，也叫目标提取，是一种基于目标几何和统计特征的图像分割。随着计算机技术的发展和计算机视觉原理的广泛应用，利用计算机图像处理技术对目标进行实时跟踪研究越来越热门，对目标进行动态实时跟踪定位在智能化交通系统、军事目标检测及医学导航手术中手术器械定位等方面具有广泛的应用价值。
【嵌牛鼻子】：目标检测、检测模型、计算机视觉
【嵌牛提问】：你知道或者用过哪些目标检测算法？
【嵌牛正文】：
（一）目标检测经典工作回顾
本文结构
两阶段模型因其对图片的两阶段处理得名，也称为基于区域（Region-based）的方法，我们选取R-CNN系列工作作为这一类型的代表。
R-CNN: R-CNN系列的开山之作
论文链接： Rich feature hierarchies for accurate object detection and semantic segmentation
本文的两大贡献：1）CNN可用于基于区域的定位和分割物体；2）监督训练样本数紧缺时，在额外的数据上预训练的模型经过fine-tuning可以取得很好的效果。第一个贡献影响了之后几乎所有2-stage方法，而第二个贡献中用分类任务（Imagenet）中训练好的模型作为基网络，在检测问题上fine-tuning的做法也在之后的工作中一直沿用。
传统的计算机视觉方法常用精心设计的手工特征(如SIFT, HOG)描述图像，而深度学习的方法则倡导习得特征，从图像分类任务的经验来看，CNN网络自动习得的特征取得的效果已经超出了手工设计的特征。本篇在局部区域应用卷积网络，以发挥卷积网络学习高质量特征的能力。
R-CNN将检测抽象为两个过程，一是基于图片提出若干可能包含物体的区域（即图片的局部裁剪，被称为Region Proposal），文中使用的是Selective Search算法；二是在提出的这些区域上运行当时表现最好的分类网络（AlexNet），得到每个区域内物体的类别。
另外，文章中的两个做法值得注意。
一是数据的准备。输入CNN前，我们需要根据Ground Truth对提出的Region Proposal进行标记，这里使用的指标是IoU（Intersection over Union，交并比）。IoU计算了两个区域之交的面积跟它们之并的比，描述了两个区域的重合程度。
文章中特别提到，IoU阈值的选择对结果影响显着，这里要谈两个threshold，一个用来识别正样本（如跟ground truth的IoU大于0.5），另一个用来标记负样本（即背景类，如IoU小于0.1），而介于两者之间的则为难例（Hard Negatives），若标为正类，则包含了过多的背景信息，反之又包含了要检测物体的特征，因而这些Proposal便被忽略掉。
另一点是位置坐标的回归（Bounding-Box Regression），这一过程是Region Proposal向Ground Truth调整，实现时加入了log/exp变换来使损失保持在合理的量级上，可以看做一种标准化（Normalization)操作。
小结
R-CNN的想法直接明了，即将检测任务转化为区域上的分类任务，是深度学习方法在检测任务上的试水。模型本身存在的问题也很多，如需要训练三个不同的模型（proposal, classification, regression）、重复计算过多导致的性能问题等。尽管如此，这篇论文的很多做法仍然广泛地影响着检测任务上的深度模型革命，后续的很多工作也都是针对改进这一工作而展开，此篇可以称得上"The First Paper"。
Fast R-CNN: 共享卷积运算
论文链接： Fast R-CNN
文章指出R-CNN耗时的原因是CNN是在每一个Proposal上单独进行的，没有共享计算，便提出将基础网络在图片整体上运行完毕后，再传入R-CNN子网络，共享了大部分计算，故有Fast之名。
上图是Fast R-CNN的架构。图片经过feature extractor得到feature map, 同时在原图上运行Selective Search算法并将RoI（Region of Interset，实为坐标组，可与Region Proposal混用）映射到到feature map上，再对每个RoI进行RoI Pooling操作便得到等长的feature vector，将这些得到的feature vector进行正负样本的整理（保持一定的正负样本比例），分batch传入并行的R-CNN子网络，同时进行分类和回归，并将两者的损失统一起来。
RoI Pooling 是对输入R-CNN子网络的数据进行准备的关键操作。我们得到的区域常常有不同的大小，在映射到feature map上之后，会得到不同大小的特征张量。RoI Pooling先将RoI等分成目标个数的网格，再在每个网格上进行max pooling，就得到等长的RoI feature vector。
文章最后的讨论也有一定的借鉴意义：
multi-loss traing相比单独训练classification确有提升
multi-scale相比single-scale精度略有提升，但带来的时间开销更大。一定程度上说明CNN结构可以内在地学习尺度不变性
在更多的数据(VOC)上训练后，精度是有进一步提升的
Softmax分类器比"one vs rest"型的SVM表现略好，引入了类间的竞争
更多的Proposal并不一定带来精度的提升
小结
Fast R-CNN的这一结构正是检测任务主流2-stage方法所采用的元结构的雏形。文章将Proposal, Feature Extractor, Object Classification&Localization统一在一个整体的结构中，并通过共享卷积计算提高特征利用效率，是最有贡献的地方。
Faster R-CNN: 两阶段模型的深度化
论文链接： Faster R-CNN: Towards Real Time Object Detection with Region Proposal Networks
Faster R-CNN是2-stage方法的奠基性工作，提出的RPN网络取代Selective Search算法使得检测任务可以由神经网络端到端地完成。粗略的讲，Faster R-CNN = RPN + Fast R-CNN，跟RCNN共享卷积计算的特性使得RPN引入的计算量很小，使得Faster R-CNN可以在单个GPU上以5fps的速度运行，而在精度方面达到SOTA（State of the Art，当前最佳）。
本文的主要贡献是提出Regional Proposal Networks，替代之前的SS算法。RPN网络将Proposal这一任务建模为二分类（是否为物体）的问题。
第一步是在一个滑动窗口上生成不同大小和长宽比例的anchor box（如上图右边部分），取定IoU的阈值，按Ground Truth标定这些anchor box的正负。于是，传入RPN网络的样本数据被整理为anchor box（坐标）和每个anchor box是否有物体（二分类标签）。RPN网络将每个样本映射为一个概率值和四个坐标值，概率值反应这个anchor box有物体的概率，四个坐标值用于回归定义物体的位置。最后将二分类和坐标回归的损失统一起来，作为RPN网络的目标训练。
由RPN得到Region Proposal在根据概率值筛选后经过类似的标记过程，被传入R-CNN子网络，进行多分类和坐标回归，同样用多任务损失将二者的损失联合。
小结
Faster R-CNN的成功之处在于用RPN网络完成了检测任务的"深度化"。使用滑动窗口生成anchor box的思想也在后来的工作中越来越多地被采用（YOLO v2等）。这项工作奠定了"RPN+RCNN"的两阶段方法元结构，影响了大部分后续工作。
单阶段（1-stage）检测模型
单阶段模型没有中间的区域检出过程，直接从图片获得预测结果，也被成为Region-free方法。
YOLO
论文链接： You Only Look Once: Unified, Real-Time Object Detection
YOLO是单阶段方法的开山之作。它将检测任务表述成一个统一的、端到端的回归问题，并且以只处理一次图片同时得到位置和分类而得名。
YOLO的主要优点：
快。
全局处理使得背景错误相对少，相比基于局部（区域）的方法， 如Fast RCNN。
泛化性能好，在艺术作品上做检测时，YOLO表现比Fast R-CNN好。
YOLO的工作流程如下：
1.准备数据：将图片缩放，划分为等分的网格，每个网格按跟Ground Truth的IoU分配到所要预测的样本。
2.卷积网络：由GoogLeNet更改而来，每个网格对每个类别预测一个条件概率值，并在网格基础上生成B个box，每个box预测五个回归值，四个表征位置，第五个表征这个box含有物体（注意不是某一类物体）的概率和位置的准确程度（由IoU表示）。测试时，分数如下计算：
等式左边第一项由网格预测，后两项由每个box预测，以条件概率的方式得到每个box含有不同类别物体的分数。 因而，卷积网络共输出的预测值个数为S×S×(B×5+C)，其中S为网格数，B为每个网格生成box个数，C为类别数。
3.后处理：使用NMS（Non-Maximum Suppression，非极大抑制）过滤得到最后的预测框
损失函数的设计
损失函数被分为三部分：坐标误差、物体误差、类别误差。为了平衡类别不均衡和大小物体等带来的影响，损失函数中添加了权重并将长宽取根号。
小结
YOLO提出了单阶段的新思路，相比两阶段方法，其速度优势明显，实时的特性令人印象深刻。但YOLO本身也存在一些问题，如划分网格较为粗糙，每个网格生成的box个数等限制了对小尺度物体和相近物体的检测。
SSD: Single Shot Multibox Detector
论文链接： SSD: Single Shot Multibox Detector
SSD相比YOLO有以下突出的特点：
多尺度的feature map：基于VGG的不同卷积段，输出feature map到回归器中。这一点试图提升小物体的检测精度。
更多的anchor box，每个网格点生成不同大小和长宽比例的box，并将类别预测概率基于box预测（YOLO是在网格上），得到的输出值个数为(C+4)×k×m×n，其中C为类别数，k为box个数，m×n为feature map的大小。
小结
SSD是单阶段模型早期的集大成者，达到跟接近两阶段模型精度的同时，拥有比两阶段模型快一个数量级的速度。后续的单阶段模型工作大多基于SSD改进展开。
检测模型基本特点
最后，我们对检测模型的基本特征做一个简单的归纳。
检测模型整体上由基础网络（Backbone Network）和检测头部（Detection Head）构成。前者作为特征提取器，给出图像不同大小、不同抽象层次的表示；后者则依据这些表示和监督信息学习类别和位置关联。检测头部负责的类别预测和位置回归两个任务常常是并行进行的，构成多任务的损失进行联合训练。
相比单阶段，两阶段检测模型通常含有一个串行的头部结构，即完成前背景分类和回归后，把中间结果作为RCNN头部的输入再进行一次多分类和位置回归。这种设计带来了一些优点：
对检测任务的解构，先进行前背景的分类，再进行物体的分类，这种解构使得监督信息在不同阶段对网络参数的学习进行指导
RPN网络为RCNN网络提供良好的先验，并有机会整理样本的比例，减轻RCNN网络的学习负担
这种设计的缺点也很明显：中间结果常常带来空间开销，而串行的方式也使得推断速度无法跟单阶段相比；级联的位置回归则会导致RCNN部分的重复计算（如两个RoI有重叠）。
另一方面，单阶段模型只有一次类别预测和位置回归，卷积运算的共享程度更高，拥有更快的速度和更小的内存占用。读者将会在接下来的文章中看到，两种类型的模型也在互相吸收彼此的优点，这也使得两者的界限更为模糊。
6. Sparse R-CNN: 稀疏的目标检测，武装Fast RCNN | 新文分析
论文: Sparse R-CNN: End-to-End Object Detection with Learnable Proposals
论文认为，目前的目标检测算法可以按预设框的多少分为两种：
上述两种方法都会预测大量的结果，需要进行NMS后处理，而在训练的时候会存在many-to-one的问题，并且anchor的设置对性能的影响很大。
于是，很多研究开始探讨稀疏(sparse)检测，比如近期的DETR算法。该算法不需要预设anchor，并且预测的结果可直接输出，不需要后处理。但论文认为DETR并不是真正的稀疏检测，因为DETR在各位置提取特征时，需要与全图的上下文进行交互，而真正的稀疏检测应该满足sparse boxes和sparse features，即较少的初始框设定以及框之间不需要过多的特征互动。
为此，论文提出了Sparse R-CNN，如图1c所示，仅需设定少量anchor即可进行检测，而且能够进行set prediction，免去NMS等后处理，其核心主要包含以下几点：
Sparse R-CNN的推理流程如图3所示，输入图片、可学习的proposal boxes以及可学习的proposal features，根据proposal boxes提取对应的RoIAlign特征，dynamic head将proposal features转换为卷积核参数，对RoIAlign特征进一步提取特征，再进行后续的分类和回归。整体的思想和Fast RCNN很像，将selective search替换为proposal boxes，再增加其它更强的模块。
论文采用FPN-ResNet作为主干网络，输出多层特征，每层特征的维度都是256。采用更复杂的主干网络可以获得更好的性能，但论文与Faster R-CNN对齐，采用标准的实现。
Sparse R-CNN的核心是采用数目固定的小批量可学习proposal boxes( )作为region proposal，而非RPN。每个box为4-d参数，在0～1范围内，值为归一化的中心点坐标、宽度和高度。这些参数在训练过程中通过反向传播进行更新，包含了训练集目标位置的统计信息，可用于推理时的初步目标位置猜测。
尽管4维的proposal box能够直观地表示目标的定位，但缺少了目标的信息，比如目标的姿态和形状，所以论文引入proposal feature( )进行补充。proposal features是高维的可学习向量，与proposal boxes一一对应，用于丰富目标的RoIAlign特征。
Dynamic instance interactive head的结构如图4所示，每个proposal box都有一个专属的预测head。给定 个proposal boxes和 个proposal features，先通过RoIAlign提取每个box的 维特征，Dynamic instance interactive head将其对应的 维proposal feature转换为卷积参数，使用这个卷积参数对RoIAlign特征进行提取，得到目标的 维特征，最后经过简单的3层感知机进行分类与回归。
Dynamic instance interactive head也可以使用类似Cascade R-CNN那样的级联模式进一步的提升性能，将输出的新回归框和 维特征作为下一次迭代的proposal box和proposal feature即可。
Sparse R-CNN的训练采用set prediction的形式，将固定数量的预测结果与GT之间进行二分图最优的匹配，然后计算损失值，完整的损失函数为：
各模块对比实验。
性能与收敛性。
在COCO上进行对比。
Sparse R-CNN贯彻了稀疏的思想，只提供少量初始框，可进行Set prediction，颠覆了当前密集预测的检测思路，整体框架十分简洁，跟Fast RCNN有点像，十分值得大家阅读。
7. [图像算法]-Faster RCNN详解
paper： Faster R-CNN: Towards Real-Time Object Detection with Region Proposal Networks
Tensorflow-faster r-cnn github: Tensorflow Faster RCNN for Object Detection
faster rcnn是何凯明等大神在2015年提出目标检测算法，该算法在2015年的ILSVRV和COCO竞赛中获得多项第一。该算法在fast rcnn基础上提出了RPN候选框生成算法，使得目标检测速度大大提高。
(1)image input；
(2)利用selective search 算法在图像中从上到下提取2000个左右的Region Proposal；
(3)将每个Region Proposal缩放(warp)成227*227的大小并输入到CNN，将CNN的fc7层的输出作为特征；
(4)将每个Region Proposal提取的CNN特征输入到SVM进行分类；
(5)对于SVM分好类的Region Proposal做边框回归，用Bounding box回归值校正原来的建议窗口，生成预测窗口坐标.
缺陷:
(1) 训练分为多个阶段，步骤繁琐：微调网络+训练SVM+训练边框回归器；
(2) 训练耗时，占用磁盘空间大；5000张图像产生几百G的特征文件；
(3) 速度慢：使用GPU，VGG16模型处理一张图像需要47s；
(4) 测试速度慢：每个候选区域需要运行整个前向CNN计算；
(5) SVM和回归是事后操作，在SVM和回归过程中CNN特征没有被学习更新.
(1)image input；
(2)利用selective search 算法在图像中从上到下提取2000个左右的建议窗口(Region Proposal)；
(3)将整张图片输入CNN，进行特征提取；
(4)把建议窗口映射到CNN的最后一层卷积feature map上；
(5)通过RoI pooling层使每个建议窗口生成固定尺寸的feature map；
(6)利用Softmax Loss(探测分类概率) 和Smooth L1 Loss(探测边框回归)对分类概率和边框回归(Bounding box regression)联合训练.
相比R-CNN，主要两处不同:
(1)最后一层卷积层后加了一个ROI pooling layer；
(2)损失函数使用了多任务损失函数(multi-task loss)，将边框回归直接加入到CNN网络中训练
改进:
(1) 测试时速度慢：R-CNN把一张图像分解成大量的建议框，每个建议框拉伸形成的图像都会单独通过CNN提取特征.实际上这些建议框之间大量重叠，特征值之间完全可以共享，造成了运算能力的浪费.
FAST-RCNN将整张图像归一化后直接送入CNN，在最后的卷积层输出的feature map上，加入建议框信息，使得在此之前的CNN运算得以共享.
(2) 训练时速度慢：R-CNN在训练时，是在采用SVM分类之前，把通过CNN提取的特征存储在硬盘上.这种方法造成了训练性能低下，因为在硬盘上大量的读写数据会造成训练速度缓慢.
FAST-RCNN在训练时，只需要将一张图像送入网络，每张图像一次性地提取CNN特征和建议区域，训练数据在GPU内存里直接进Loss层，这样候选区域的前几层特征不需要再重复计算且不再需要把大量数据存储在硬盘上.
(3) 训练所需空间大：R-CNN中独立的SVM分类器和回归器需要大量特征作为训练样本，需要大量的硬盘空间.FAST-RCNN把类别判断和位置回归统一用深度网络实现，不再需要额外存储.
(4) 由于ROI pooling的提出，不需要再input进行Corp和wrap操作，避免像素的损失，巧妙解决了尺度缩放的问题.
(1)输入测试图像；
(2)将整张图片输入CNN，进行特征提取；
(3)用RPN先生成一堆Anchor box，对其进行裁剪过滤后通过softmax判断anchors属于前景(foreground)或者后景(background)，即是物体or不是物体，所以这是一个二分类；同时，另一分支bounding box regression修正anchor box，形成较精确的proposal（注：这里的较精确是相对于后面全连接层的再一次box regression而言）
(4)把建议窗口映射到CNN的最后一层卷积feature map上；
(5)通过RoI pooling层使每个RoI生成固定尺寸的feature map；
(6)利用Softmax Loss(探测分类概率) 和Smooth L1 Loss(探测边框回归)对分类概率和边框回归(Bounding box regression)联合训练.
相比FASTER-RCNN，主要两处不同:
(1)使用RPN(Region Proposal Network)代替原来的Selective Search方法产生建议窗口；
(2)产生建议窗口的CNN和目标检测的CNN共享
改进:
(1) 如何高效快速产生建议框？
FASTER-RCNN创造性地采用卷积网络自行产生建议框，并且和目标检测网络共享卷积网络，使得建议框数目从原有的约2000个减少为300个，且建议框的质量也有本质的提高.
从上面的三张图可以看出，Faster R CNN由下面几部分组成：
1.数据集，image input
2.卷积层CNN等基础网络，提取特征得到feature map
3-1.RPN层，再在经过卷积层提取到的feature map上用一个3x3的slide window，去遍历整个feature map,在遍历过程中每个window中心按rate，scale（1:2,1:1,2:1）生成9个anchors，然后再利用全连接对每个anchors做二分类（是前景还是背景）和初步bbox regression，最后输出比较精确的300个ROIs。
3-2.把经过卷积层feature map用ROI pooling固定全连接层的输入维度。
4.然后把经过RPN输出的rois映射到ROIpooling的feature map上进行bbox回归和分类。
SPP-Net是出自论文《Spatial Pyramid Pooling in Deep Convolutional Networks for Visual Recognition》
由于一般的网络结构中都伴随全连接层，全连接层的参数就和输入图像大小有关，因为它要把输入的所有像素点连接起来,需要指定输入层神经元个数和输出层神经元个数，所以需要规定输入的feature的大小。而SPP-NET正好解决了这个问题。
如果原图输入是224x224，对于conv5出来后的输出，是13x13x256的，可以理解成有256个这样的filter，每个filter对应一张13x13的activation map.如果像上图那样将activation map pooling成4x4 2x2 1x1三张子图，做max pooling后，出来的特征就是固定长度的(16+4+1)x256那么多的维度了.如果原图的输入不是224x224，出来的特征依然是(16+4+1)x256；直觉地说，可以理解成将原来固定大小为(3x3)窗口的pool5改成了自适应窗口大小，窗口的大小和activation map成比例，保证了经过pooling后出来的feature的长度是一致的.
总结而言，当网络输入的是一张任意大小的图片，这个时候我们可以一直进行卷积、池化，直到网络的倒数几层的时候，也就是我们即将与全连接层连接的时候，就要使用金字塔池化，使得任意大小的特征图都能够转换成固定大小的特征向量，这就是空间金字塔池化的意义（多尺度特征提取出固定大小的特征向量）。
ROI pooling layer实际上是SPP-NET的一个精简版，SPP-NET对每个proposal使用了不同大小的金字塔映射，而ROI pooling layer只需要下采样到一个7x7的特征图.对于VGG16网络conv5_3有512个特征图，这样所有region proposal对应了一个7*7*512维度的特征向量作为全连接层的输入.
为什么要pooling成7×7的尺度？是为了能够共享权重。Faster RCNN除了用到VGG前几层的卷积之外，最后的全连接层也可以继续利用。当所有的RoIs都被pooling成（512\×7\×7）的feature map后，将它reshape 成一个一维的向量，就可以利用VGG16预训练的权重，初始化前两层全连接.
那么经过何种变换才能从图11中的窗口P变为窗口呢？比较简单的思路就是：
注意：只有当Proposal和Ground Truth比较接近时（线性问题），我们才能将其作为训练样本训练我们的线性回归模型，否则会导致训练的回归模型不work（当Proposal跟GT离得较远，就是复杂的非线性问题了，此时用线性回归建模显然不合理）.这个也是G-CNN: an Iterative Grid Based Object Detector多次迭代实现目标准确定位的关键. 线性回归就是给定输入的特征向量X，学习一组参数W，使得经过线性回归后的值跟真实值Y(Ground Truth)非常接近.即.那么Bounding-box中我们的输入以及输出分别是什么呢？
如上图中标识：
① rpn_cls：60*40*512-d ⊕ 1*1*512*18 > 60*40*92 逐像素对其9个Anchor box进行二分类
② rpn_bbox：60*40*512-d ⊕ 1*1*512*36>60*40*9*4 逐像素得到其9个Anchor box四个坐标信息
逐像素对Anchors分类标记
① 去除掉超过1000*600这原图的边界的anchor box
② 如果anchor box与ground truth的IoU值最大，标记为正样本，label=1
③ 如果anchor box与ground truth的IoU>0.7，标记为正样本，label=1
④ 如果anchor box与ground truth的IoU<0.3，标记为负样本，label=0
剩下的既不是正样本也不是负样本，不用于最终训练，label=-1
逐像素Bbox回归纠正
除了对anchor box进行标记外，另一件事情就是计算anchor box与ground truth之间的偏移量
令：ground truth:标定的框也对应一个中心点位置坐标x ,y 和宽高w ,h
anchor box: 中心点位置坐标x_a,y_a和宽高w_a,h_a
所以，偏移量：
△x=(x -x_a)/w_a △y=(y -y_a)/h_a
△w=log(w /w_a) △h=log(h /h_a)
通过ground truth box与预测的anchor box之间的差异来进行学习，从而是RPN网络中的权重能够学习到预测box的能力
接着进一步对Anchors进行越界剔除和使用nms非最大值抑制，剔除掉重叠的框；比如，设定IoU为0.7的阈值，即仅保留覆盖率不超过0.7的局部最大分数的box（粗筛）。最后留下大约2000个anchor，然后再取前N个box（比如300个）；这样，进入到下一层ROI Pooling时region proposal大约只有300个。
参考文献：
8. 目标检测算法（R-CNN，fast R-CNN，faster R-CNN，yolo，SSD，yoloV2，yoloV3）
深度学习目前已经应用到了各个领域，应用场景大体分为三类：物体识别，目标检测，自然语言处理。 目标检测可以理解为是物体识别和物体定位的综合 ，不仅仅要识别出物体属于哪个分类，更重要的是得到物体在图片中的具体位置。
2014年R-CNN算法被提出，基本奠定了two-stage方式在目标检测领域的应用。它的算法结构如下图
算法步骤如下：
R-CNN较传统的目标检测算法获得了50%的性能提升，在使用VGG-16模型作为物体识别模型情况下，在voc2007数据集上可以取得66%的准确率，已经算还不错的一个成绩了。其最大的问题是速度很慢，内存占用量很大，主要原因有两个
针对R-CNN的部分问题，2015年微软提出了Fast R-CNN算法，它主要优化了两个问题。
R-CNN和fast R-CNN均存在一个问题，那就是 由选择性搜索来生成候选框，这个算法很慢 。而且R-CNN中生成的2000个左右的候选框全部需要经过一次卷积神经网络，也就是需要经过2000次左右的CNN网络，这个是十分耗时的（fast R-CNN已经做了改进，只需要对整图经过一次CNN网络）。这也是导致这两个算法检测速度较慢的最主要原因。
faster R-CNN 针对这个问题， 提出了RPN网络来进行候选框的获取，从而摆脱了选择性搜索算法，也只需要一次卷积层操作，从而大大提高了识别速度 。这个算法十分复杂，我们会详细分析。它的基本结构如下图
主要分为四个步骤：
使用VGG-16卷积模型的网络结构：
卷积层采用的VGG-16模型，先将PxQ的原始图片，缩放裁剪为MxN的图片，然后经过13个conv-relu层，其中会穿插4个max-pooling层。所有的卷积的kernel都是3x3的，padding为1，stride为1。pooling层kernel为2x2, padding为0，stride为2。
MxN的图片，经过卷积层后，变为了(M/16) x (N/16)的feature map了。
faster R-CNN抛弃了R-CNN中的选择性搜索（selective search）方法，使用RPN层来生成候选框，能极大的提升候选框的生成速度。RPN层先经过3x3的卷积运算，然后分为两路。一路用来判断候选框是前景还是背景，它先reshape成一维向量，然后softmax来判断是前景还是背景，然后reshape恢复为二维feature map。另一路用来确定候选框的位置，通过bounding box regression实现，后面再详细讲。两路计算结束后，挑选出前景候选框（因为物体在前景中），并利用计算得到的候选框位置，得到我们感兴趣的特征子图proposal。
卷积层提取原始图像信息，得到了256个feature map，经过RPN层的3x3卷积后，仍然为256个feature map。但是每个点融合了周围3x3的空间信息。对每个feature map上的一个点，生成k个anchor（k默认为9）。anchor分为前景和背景两类（我们先不去管它具体是飞机还是汽车，只用区分它是前景还是背景即可）。anchor有[x,y,w,h]四个坐标偏移量，x,y表示中心点坐标，w和h表示宽度和高度。这样，对于feature map上的每个点，就得到了k个大小形状各不相同的选区region。
对于生成的anchors，我们首先要判断它是前景还是背景。由于感兴趣的物体位于前景中，故经过这一步之后，我们就可以舍弃背景anchors了。大部分的anchors都是属于背景，故这一步可以筛选掉很多无用的anchor，从而减少全连接层的计算量。
对于经过了3x3的卷积后得到的256个feature map，先经过1x1的卷积，变换为18个feature map。然后reshape为一维向量，经过softmax判断是前景还是背景。此处reshape的唯一作用就是让数据可以进行softmax计算。然后输出识别得到的前景anchors。
另一路用来确定候选框的位置，也就是anchors的[x,y,w,h]坐标值。如下图所示，红色代表我们当前的选区，绿色代表真实的选区。虽然我们当前的选取能够大概框选出飞机，但离绿色的真实位置和形状还是有很大差别，故需要对生成的anchors进行调整。这个过程我们称为bounding box regression。
假设红色框的坐标为[x,y,w,h], 绿色框，也就是目标框的坐标为[Gx, Gy,Gw,Gh], 我们要建立一个变换，使得[x,y,w,h]能够变为[Gx, Gy,Gw,Gh]。最简单的思路是，先做平移，使得中心点接近，然后进行缩放，使得w和h接近。如下：
我们要学习的就是dx dy dw dh这四个变换。由于是线性变换，我们可以用线性回归来建模。设定loss和优化方法后，就可以利用深度学习进行训练，并得到模型了。对于空间位置loss，我们一般采用均方差算法，而不是交叉熵（交叉熵使用在分类预测中）。优化方法可以采用自适应梯度下降算法Adam。
得到了前景anchors，并确定了他们的位置和形状后，我们就可以输出前景的特征子图proposal了。步骤如下：
1，得到前景anchors和他们的[x y w h]坐标。
2，按照anchors为前景的不同概率，从大到小排序，选取前pre_nms_topN个anchors，比如前6000个
3，剔除非常小的anchors。
4，通过NMS非极大值抑制，从anchors中找出置信度较高的。这个主要是为了解决选取交叠问题。首先计算每一个选区面积，然后根据他们在softmax中的score（也就是是否为前景的概率）进行排序，将score最大的选区放入队列中。接下来，计算其余选区与当前最大score选区的IOU（IOU为两box交集面积除以两box并集面积，它衡量了两个box之间重叠程度）。去除IOU大于设定阈值的选区。这样就解决了选区重叠问题。
5，选取前post_nms_topN个结果作为最终选区proposal进行输出，比如300个。
经过这一步之后，物体定位应该就基本结束了，剩下的就是物体识别了。
和fast R-CNN中类似，这一层主要解决之前得到的proposal大小形状各不相同，导致没法做全连接。全连接计算只能对确定的shape进行运算，故必须使proposal大小形状变为相同。通过裁剪和缩放的手段，可以解决这个问题，但会带来信息丢失和图片形变问题。我们使用ROI pooling可以有效的解决这个问题。
ROI pooling中，如果目标输出为MxN，则在水平和竖直方向上，将输入proposal划分为MxN份，每一份取最大值，从而得到MxN的输出特征图。
ROI Pooling层后的特征图，通过全连接层与softmax，就可以计算属于哪个具体类别，比如人，狗，飞机，并可以得到cls_prob概率向量。同时再次利用bounding box regression精细调整proposal位置，得到bbox_pred，用于回归更加精确的目标检测框。
这样就完成了faster R-CNN的整个过程了。算法还是相当复杂的，对于每个细节需要反复理解。faster R-CNN使用resNet101模型作为卷积层，在voc2012数据集上可以达到83.8%的准确率，超过yolo ssd和yoloV2。其最大的问题是速度偏慢，每秒只能处理5帧，达不到实时性要求。
针对于two-stage目标检测算法普遍存在的运算速度慢的缺点， yolo创造性的提出了one-stage。也就是将物体分类和物体定位在一个步骤中完成。 yolo直接在输出层回归bounding box的位置和bounding box所属类别，从而实现one-stage。通过这种方式， yolo可实现45帧每秒的运算速度，完全能满足实时性要求 （达到24帧每秒，人眼就认为是连续的）。它的网络结构如下图：
主要分为三个部分：卷积层，目标检测层，NMS筛选层。
采用Google inceptionV1网络，对应到上图中的第一个阶段，共20层。这一层主要是进行特征提取，从而提高模型泛化能力。但作者对inceptionV1进行了改造，他没有使用inception mole结构，而是用一个1x1的卷积，并联一个3x3的卷积来替代。（可以认为只使用了inception mole中的一个分支，应该是为了简化网络结构）
先经过4个卷积层和2个全连接层，最后生成7x7x30的输出。先经过4个卷积层的目的是为了提高模型泛化能力。yolo将一副448x448的原图分割成了7x7个网格，每个网格要预测两个bounding box的坐标(x,y,w,h)和box内包含物体的置信度confidence，以及物体属于20类别中每一类的概率（yolo的训练数据为voc2012，它是一个20分类的数据集）。所以一个网格对应的参数为（4x2+2+20) = 30。如下图
其中前一项表示有无人工标记的物体落入了网格内，如果有则为1，否则为0。第二项代表bounding box和真实标记的box之间的重合度。它等于两个box面积交集，除以面积并集。值越大则box越接近真实位置。
分类信息： yolo的目标训练集为voc2012，它是一个20分类的目标检测数据集 。常用目标检测数据集如下表：
| Name | # Images (trainval) | # Classes | Last updated |
| --------------- | ------------------- | --------- | ------------ |
| ImageNet | 450k | 200 | 2015 |
| COCO | 120K | 90 | 2014 |
| Pascal VOC | 12k | 20 | 2012 |
| Oxford-IIIT Pet | 7K | 37 | 2012 |
| KITTI Vision | 7K | 3 | |
每个网格还需要预测它属于20分类中每一个类别的概率。分类信息是针对每个网格的，而不是bounding box。故只需要20个，而不是40个。而confidence则是针对bounding box的，它只表示box内是否有物体，而不需要预测物体是20分类中的哪一个，故只需要2个参数。虽然分类信息和confidence都是概率，但表达含义完全不同。
筛选层是为了在多个结果中（多个bounding box）筛选出最合适的几个，这个方法和faster R-CNN 中基本相同。都是先过滤掉score低于阈值的box，对剩下的box进行NMS非极大值抑制，去除掉重叠度比较高的box（NMS具体算法可以回顾上面faster R-CNN小节）。这样就得到了最终的最合适的几个box和他们的类别。
yolo的损失函数包含三部分，位置误差，confidence误差，分类误差。具体公式如下：
误差均采用了均方差算法，其实我认为，位置误差应该采用均方差算法，而分类误差应该采用交叉熵。由于物体位置只有4个参数，而类别有20个参数，他们的累加和不同。如果赋予相同的权重，显然不合理。故yolo中位置误差权重为5，类别误差权重为1。由于我们不是特别关心不包含物体的bounding box，故赋予不包含物体的box的置信度confidence误差的权重为0.5，包含物体的权重则为1。
Faster R-CNN准确率mAP较高，漏检率recall较低，但速度较慢。而yolo则相反，速度快，但准确率和漏检率不尽人意。SSD综合了他们的优缺点，对输入300x300的图像，在voc2007数据集上test，能够达到58 帧每秒( Titan X 的 GPU )，72.1%的mAP。
SSD网络结构如下图：
和yolo一样，也分为三部分：卷积层，目标检测层和NMS筛选层
SSD论文采用了VGG16的基础网络，其实这也是几乎所有目标检测神经网络的惯用方法。先用一个CNN网络来提取特征，然后再进行后续的目标定位和目标分类识别。
这一层由5个卷积层和一个平均池化层组成。去掉了最后的全连接层。SSD认为目标检测中的物体，只与周围信息相关，它的感受野不是全局的，故没必要也不应该做全连接。SSD的特点如下。
每一个卷积层，都会输出不同大小感受野的feature map。在这些不同尺度的feature map上，进行目标位置和类别的训练和预测，从而达到 多尺度检测 的目的，可以克服yolo对于宽高比不常见的物体，识别准确率较低的问题。而yolo中，只在最后一个卷积层上做目标位置和类别的训练和预测。这是SSD相对于yolo能提高准确率的一个关键所在。
如上所示，在每个卷积层上都会进行目标检测和分类，最后由NMS进行筛选，输出最终的结果。多尺度feature map上做目标检测，就相当于多了很多宽高比例的bounding box，可以大大提高泛化能力。
和faster R-CNN相似，SSD也提出了anchor的概念。卷积输出的feature map，每个点对应为原图的一个区域的中心点。以这个点为中心，构造出6个宽高比例不同，大小不同的anchor（SSD中称为default box）。每个anchor对应4个位置参数(x,y,w,h)和21个类别概率（voc训练集为20分类问题，在加上anchor是否为背景，共21分类）。如下图所示：
另外，在训练阶段，SSD将正负样本比例定位1：3。训练集给定了输入图像以及每个物体的真实区域（ground true box），将default box和真实box最接近的选为正样本。然后在剩下的default box中选择任意一个与真实box IOU大于0.5的，作为正样本。而其他的则作为负样本。由于绝大部分的box为负样本，会导致正负失衡，故根据每个box类别概率排序，使正负比例保持在1：3。SSD认为这个策略提高了4%的准确率
另外，SSD采用了数据增强。生成与目标物体真实box间IOU为0.1 0.3 0.5 0.7 0.9的patch，随机选取这些patch参与训练，并对他们进行随机水平翻转等操作。SSD认为这个策略提高了8.8%的准确率。
和yolo的筛选层基本一致，同样先过滤掉类别概率低于阈值的default box，再采用NMS非极大值抑制，筛掉重叠度较高的。只不过SSD综合了各个不同feature map上的目标检测输出的default box。
SSD基本已经可以满足我们手机端上实时物体检测需求了，TensorFlow在android上的目标检测官方模型ssd_mobilenet_v1_android_export.pb，就是通过SSD算法实现的。它的基础卷积网络采用的是mobileNet，适合在终端上部署和运行。
针对yolo准确率不高，容易漏检，对长宽比不常见物体效果差等问题，结合SSD的特点，提出了yoloV2。它主要还是采用了yolo的网络结构，在其基础上做了一些优化和改进，如下
网络采用DarkNet-19：19层，里面包含了大量3x3卷积，同时借鉴inceptionV1，加入1x1卷积核全局平均池化层。结构如下
yolo和yoloV2只能识别20类物体，为了优化这个问题，提出了yolo9000，可以识别9000类物体。它在yoloV2基础上，进行了imageNet和coco的联合训练。这种方式充分利用imageNet可以识别1000类物体和coco可以进行目标位置检测的优点。当使用imageNet训练时，只更新物体分类相关的参数。而使用coco时，则更新全部所有参数。
YOLOv3可以说出来直接吊打一切图像检测算法。比同期的DSSD(反卷积SSD), FPN（feature pyramid networks）准确率更高或相仿，速度是其1/3.。
YOLOv3的改动主要有如下几点：
不过如果要求更精准的预测边框，采用COCO AP做评估标准的话，YOLO3在精确率上的表现就弱了一些。如下图所示。
当前目标检测模型算法也是层出不穷。在two-stage领域， 2017年Facebook提出了mask R-CNN 。CMU也提出了A-Fast-RCNN 算法，将对抗学习引入到目标检测领域。Face++也提出了Light-Head R-CNN，主要探讨了 R-CNN 如何在物体检测中平衡精确度和速度。
one-stage领域也是百花齐放，2017年首尔大学提出 R-SSD 算法，主要解决小尺寸物体检测效果差的问题。清华大学提出了 RON 算法，结合 two stage 名的方法和 one stage 方法的优势，更加关注多尺度对象定位和负空间样本挖掘问题。
目标检测领域的深度学习算法，需要进行目标定位和物体识别，算法相对来说还是很复杂的。当前各种新算法也是层不出穷，但模型之间有很强的延续性，大部分模型算法都是借鉴了前人的思想，站在巨人的肩膀上。我们需要知道经典模型的特点，这些tricks是为了解决什么问题，以及为什么解决了这些问题。这样才能举一反三，万变不离其宗。综合下来，目标检测领域主要的难点如下：
一文读懂目标检测AI算法：R-CNN，faster R-CNN，yolo，SSD，yoloV2
从YOLOv1到v3的进化之路
SSD-Tensorflow超详细解析【一】：加载模型对图片进行测试 https://blog.csdn.net/k87974/article/details/80606407
YOLO https://pjreddie.com/darknet/yolo/ https://github.com/pjreddie/darknet
C#项目参考：https://github.com/AlturosDestinations/Alturos.Yolo
项目实践贴个图。
9. Faster R-CNN：使用RPN实时目标检测
论文： Faster R-CNN: Towards Real-Time Object Detection with Region Proposal Networks
目标检测网络大多依靠 区域生成 （region proposal）算法来假设目标的位置。 R-CNN 是采用 Selective Search 算法来提取(propose)可能的 RoIs(regions of interest) 区域，然后对每个提取区域采用标准 CNN 进行分类。选择性搜索（Selective Search ）方法就是在目标对象周围设定2000个形状大小位置不一的候选区域，目标物体在候选区域的可能性还是比较大的。然后对这些区域卷积，找到目标物体，虽然大多数区域都是无用的。与寻找几乎个区域比起来，这种方法要高效的多。
Fast R-CNN ，不在原始图像生成备选区域，而是先整张图片通过卷积网络得到特征图，然后在特征图上使用备选区域算法得到感兴趣的区域在特征图的映射，之后使用 Rol Pool将所有区域变成同样尺寸，大大减少了这些目标检测网络的运行时间，但是区域生成的计算成为整个检测网络的瓶颈。
Faster R-CNN 引入了一个 区域生成网络（Region Proposal Network，RPN） ，该网络与检测网络共享输入图像的卷积特征，从而使接近零时间成本的区域生成成为可能。 RPN是一个全卷积网络，可以同时在每个位置预测目标边界和目标分数。RPN经过端到端的训练，可以生成高质量的区域候选框，然后提供给Fast R-CNN用于检测。
Faster R-CNN 由两个模块组成：第一个模块是区域生成的深度全卷积网络，第二个模块是使用备选区域的Fast R-CNN检测器。整个系统是一个单个的，统一的目标检测网络。使用最近流行的“注意力”机制的神经网络术语，RPN模块告诉Fast R-CNN模块在哪里寻找目标。
针对一张图片，需要获得的输出有：
Faster R-CNN 第一步是采用基于分类任务(如ImageNet)的 CNN 模型作为特征提取器。输入图片表示为 H × W × D 的形式，经过预训练 CNN 模型的处理，得到卷积特征图(conv feature map)。
Faster R-CNN 最早是采用在 ImageNet 训练的 ZF 和 VGG ，其后出现了很多其它权重不同的网络.。如 MobileNet 是一种小型效率高的网络结构，仅有 3.3M 参数；而ResNet-152 的参数量达到了 60M；新网络结构，如 DenseNet 在提高了结果的同时，降低了参数数量。
以 VGG16 为例：
VGG16 图片分类时，输入为 224×224×3 的张量(即，一张 224×224 像素的 RGB 图片)。网络结构最后采用 FC 层(而不是 Conv 层)得到固定长度的向量，以进行图片分类.。对最后一个卷积层的输出拉伸为1维的向量，然后送入 FC 层。官方实现中是采用的卷积层 conv5/conv5_1 的输出。
在深度上，卷积特征图对图片的所有信息进行了编码，同时保持相对于原始图片所编码 “things” 的位置。例如，如果在图片的左上角存在一个红色正方形，而且卷积层有激活响应，那么该红色正方形的信息被卷积层编码后，仍在卷积特征图的左上角。因此利用特征图检测目标所在的位置是可行的。
ResNet 结构逐渐取代 VGG 作为基础网络，用于提取特征。ResNet 相对于 VGG 的明显优势是，网络更大，因此具有更强的学习能力.。这对于分类任务是重要的，在目标检测中也应该如此。另外，ResNet 采用残差连接(resial connection) 和 BN (batch normalization) 使得深度模型的训练比较容易。
然后，RPN(Region Propose Network) 对提取的卷积特征图进行处理，寻找可能包含 目标的 预定义数量的区域(regions，边界框) 。为了生成候选区域，在最后的共享卷积层输出的卷积特征图上做 3x3 卷积，卷积核共有512个（VGG），后面是ReLU，这样每个 3x3 区域会得到一个512维的特征向量。然后这个特征向量被输入到两个全连接层——一个边界框回归层（reg）和一个边界框分类层（cls）。
下面解释 k, 2k, 4k 的含义。
基于深度学习的目标检测中，可能最难的问题就是生成长度不定(variable-length)的边界框列表（bounding-boxes），边界框是具有不同尺寸（sizes）和长宽比（aspect ratios ）的矩形。在构建深度神经网络时，最后的网络输出一般是固定尺寸的张量输出(采用RNN的除外)。例如，在图片分类中，网络输出是 (C, ) 的张量，C是类别标签数，张量的每个位置的标量值表示图片是类别的概率值。
在 RPN 中，通过采用 anchors（锚） 来解决边界框列表长度不定的问题，即在原始图像中统一放置固定大小的参考边界框。上面说到RPN对特征图做3x3的卷积，假设每一次卷积需要预测 k 个候选区域，因此，reg层具有 4k 个输出，编码 k 个边界框的坐标，cls层输出 2k 个分数，估计每个区域是目标或是背景的概率。这 k 个区域就是 被 k 个参考边界框初始化， k 个参考框就是 k 个锚点，作为第一次预测目标位置的参考 boxes。锚点的中心位于卷积核滑动窗口的中心。默认情况下每个滑动位置使用3个不同尺度（128 2 , 256 2 , 512 2 ）3个不同长宽比（1:2, 1:1, 2:1）的锚点，k=9。对于大小为W×H（通常约为2400）的卷积特征图，总共有 W×H×k 个锚点。对于RPN的最后两个全连接层，参数的个数为 512×(4+2)×k.
不同于直接检测目标的位置，这里将问题转化为两部分。对每一个 anchor 而言：
有一种简单的方法来预测目标的边界框，即学习相对于参考边界框的偏移量。假设参考 box：( )，待预测量：( )，一般都是很小的值，以调整参考 box 更好的拟合所需要的。
虽然 anchors 是基于卷积特征图定义的，但最终的 anchos 是相对于原始图片的.
由于只有卷积层和 pooling 层，特征图的维度是与原始图片的尺寸成比例关系的. 即，数学地表述，如果图片尺寸 w×h，特征图的尺寸则是w/r×h/r. 其中，r 是下采样率(subsampling ratio). 如果在卷积特征图空间位置定义 anchor，则最终的图片会是由 r 像素划分的 anchors 集。在 VGG 中， r=16。
RPN 利用所有的参考边界框(anchors)，输出一系列目标的良好的 proposals。针对每个 anchor，都有两个不同的输出：
RPN是全卷积网络。
对于分类层，每个 anchor 输出两个预测值：anchor 是背景(background，非object)的 score 和 anchor 是前景(foreground，object) 的 score.
对于回归层，也可以叫边界框调整层，每个 anchor 输出 4 个预测值：
（Δxcenter,Δycenter,Δwidth,Δheight），用于 anchors 来得到最终的 proposals。根据最终的 proposal 坐标和其对应的 objectness score，即可得到良好的 objects proposals.
RPN 有两种类型的预测值输出：二值分类和边界框回归调整。
为了训练RPN，我们为每个锚点分配一个二值类别标签（是目标或不是目标）。我们给两种锚点分配一个正标签：（i）具有与实际边界框的重叠最高交并比（IoU）的锚点，或者（ii）具有与实际边界框的重叠超过0.7 IoU的锚点。注意，单个真实边界框可以为多个锚点分配正标签。通常第二个条件足以确定正样本；但我们仍然采用第一个条件，因为在一些极少数情况下，第二个条件可能找不到正样本。对于所有的真实边界框，如果一个锚点的IoU比率低于0.3，我们给非正面的锚点分配一个负标签。既不正面也不负面的锚点不会有助于训练目标函数。
然后，随机采样 anchors 来生成batchsize=256 的 mini-batch，尽可能的保持 foreground 和 background anchors 的比例平衡。
RPN 对 mini-batch 内的所有 anchors 采用二分类交叉熵来计算分类 loss。然后，只对 mini-batch 内标记为 foreground 的 anchros 计算回归 loss。为了计算回归的目标targets，根据 foreground anchor 和其最接近的 groundtruth object，计算将 anchor 变换到 object groundtruth 的偏移值 Δ。
Faster R-CNN没有采用简单的 L1 或 L2 loss 用于回归误差，而是采用 Smooth L1 loss. Smooth L1 和 L1 基本相同，但是，当 L1 误差值非常小时，表示为一个确定值即认为是接近正确的，loss 就会以更快的速度消失.
由于 Anchors 一般是有重叠，因此，相同目标的候选区域也存在重叠。
为了解决重叠 proposals 问题，采用 NMS 算法处理，丢弃与一个 score 更高的 proposal 间 IoU 大于预设阈值的 proposals.
虽然 NMS 看起来比较简单，但 IoU 阈值的预设需要谨慎处理. 如果 IoU 值太小，可能丢失 objetcs 的一些 proposals；如果 IoU 值过大，可能会导致 objects 出现很多 proposals。IoU 典型值为 0.7。
NMS 处理后，根据 sore 对topN 个 proposals 排序. 在 Faster R-CNN 论文中 N=2000，其值也可以小一点，如 50，仍然能的高好的结果.
当获得了可能的相关目标和其在原始图像中的对应位置之后，问题就更加直接了，采用 CNN 提取的特征和包含相关目标的边界框，采用 RoI Pooling 处理，并提取相关目标的特征，得到一个新的向量。
RPN 处理后，可以得到一堆没有分类得分的目标 proposals。待处理问题为，如何利用这些边界框并分类。
一种最简单的方法是，对每个 porposal，裁剪，并送入pre-trained base 网络，提取特征；然后，将提取特征来训练分类器. 但这就需要对所有的 2000 个 proposals 进行计算，效率低，速度慢。Faster R-CNN通过重用卷积特征图来加快计算效率，即采用 RoI(region of interest) Pooling 对每个 proposal 提取固定尺寸的特征图。然后 R-CNN 对固定尺寸的特征图分类。
目标检测中，包括 Faster R-CNN，常用一种更简单的方法，即：采用每个 proposal 来对卷积特征图裁剪crop，然后利用插值算法(一般为双线性插值 bilinear)将每个 crop resize 到固定尺寸14×14×ConvDepth. 裁剪后，利用 2×2 kernel 的 Max Pooling 得到每个 proposal 的最终7×7×ConvDepth 特征图.
之所以选择该精确形状，与其在下面的模块(R-CNN)中的应用有关。
R-CNN利用RoI Pooling提取的特征进行分类，采用全连接层来输出每个可能的 目标类别的分类得分，是Faster R-CNN框架中的最后一个步骤。
R-CNN 有两个不同的输出：
R-CNN 对每个 proposal 的特征图，拉平后采用 ReLU 和两个大小为 4096 维的全连接层进行处理。然后，对每个不同目标采用两个不同的全连接层处理：一个全连接层有 N+1 个神经单元，其中 N 是类别 class 的总数，包括 background class；一个全连接层有 4N 个神经单元，是回归预测输出，得到 N 个可能的类别分别预测 Δcenterx,Δcentery,Δwidth,Δheight。
R-CNN 的目标基本上是与 RPN 目标的计算是一致的，但需要考虑不同的可能的 object 类别 classes.
根据 proposals 和 ground-truth boxes，计算其 IoU。与任何一个 ground-truth box 的 IoU 大于 0.5 的 proposals 被设为正确的 boxes。IoU 在 0.1 到 0.5 之间时设为 background。这里忽略没有任何交叉的 proposals。这是因为，在此阶段，假设已经获得良好的 proposals。当然，所有的这些超参数都是可以用于调整以更好的拟合 objects。
边界框回归的目标计算的是 proposal 与其对应的 ground-truth间的偏移量，只对基于 IoU 阈值设定类别后的 proposals 进行计算。随机采用一个平衡化的 mini-batch=64，其中，25% 的 foreground proposals(具有类别class) 和 75% 的background proposals.
类似于 RPNs 的 losses，对于选定的 proposals，分类 loss 采用 multiclass entropy loss；对于 25% 的 foreground proposals 采用 SmoothL1 loss 计算其与 groundtruth box 的匹配。
由于 R-CNN全连接网络对每个类别仅输出一个预测值，当计算边框回归loss 时需谨慎，只需考虑正确的类别。
类似于 RPN，R-CNN 最终输出一堆带有类别分类的objects，在返回结果前，再进一步进行处理。
为了调整边界框，需要考虑概率最大的类别的 proposals. 忽略概率最大值为 background class 的proposals.
当得到最终的 objects 时，并忽略被预测为 background 的结果，采用 class-based NMS. 主要是通过对 objects 根据类别class 分组，然后根据概率排序，并对每个独立的分组采用 NMS 处理，最后再放在一起.
最终得到的 objects 列表，仍可继续通过设定概率阈值的方式，来限制每个类的 objects 数量.
Faster R-CNN在论文中是采用分步方法，对每个模块分别训练再合并训练的权重. 自此，End-to-end 的联合训练被发现能够得到更好的结果.
当将完整的模型合并后，得到 4 个不同的 losses，2 个用于 RPN，2 个用于 R-CNN。4 种不同的 losses 以加权和的形式组织. 可以根据需要对分类 loss 和回归 loss 设置权重，或者对 R-CNN 和 RPNs 设置不同权重.
采用 SGD 训练，momentum=0.9. 学习率初始值为 0.001，50K 次迭代后衰减为 0.0001. 这是一组常用参数设置。
10. 目标检测 YOLO系列——YOLO v1
YOLO v1:You Only Look Once: Unified, Real-Time Object Detection
YOLO v2:YOLO9000：Better，Faster，Stronger
YOLO v3:YOLOv3: An Incremental Improvement
近几年来，目标检测算法取得了很大的突破。比较流行的算法可以分为两类，一类是基于Region Proposal的R-CNN系算法（R-CNN，Fast R-CNN, Faster R-CNN），它们是two-stage的，需要先使用启发式方法（selective search）或者CNN网络（RPN）产生Region Proposal，然后再在Region Proposal上做分类与回归。而另一类是Yolo，SSD这类one-stage算法，其仅仅使用一个CNN网络直接预测不同目标的类别与位置。第一类方法是准确度高一些，但是速度慢，但是第二类算法是速度快，但是准确性要低一些。这里我们谈的是Yolo-v1版本算法，其性能是差于后来的SSD算法的，但是Yolo后来也继续进行改进，产生了Yolo9000、YOLO v3算法。
传统方法常采用滑动窗口法，滑动窗口的目标检测算法思路非常简单，它将检测问题转化为了图像分类问题。其基本原理就是采用不同大小和比例（宽高比）的窗口在整张图片上以一定的步长进行滑动，然后对这些窗口对应的区域做图像分类，这样就可以实现对整张图片的检测了，如 DPM 就是采用这种思路。但是这个方法有致命的缺点，就是你并不知道要检测的目标大小是什么规模，所以你要设置不同大小和比例的窗口去滑动，而且还要选取合适的步长。但是这样会产生很多的子区域，并且都要经过分类器去做预测，这需要很大的计算量，所以你的分类器不能太复杂，因为要保证速度。解决思路之一就是减少要分类的子区域，这就是R-CNN的一个改进策略，其采用了 selective search 方法来找到最有可能包含目标的子区域（Region Proposal），其实可以看成采用启发式方法过滤掉很多子区域，这会提升效率。
如果你使用的是CNN分类器，那么滑动窗口是非常耗时的。但是结合卷积运算的特点，我们可以使用CNN实现更高效的滑动窗口方法。这里要介绍的是一种全卷积的方法，简单来说就是网络中用卷积层代替了全连接层，如图所示。输入图片大小是16x16，经过一系列卷积操作，提取了2x2的特征图，但是这个2x2的图上每个元素都是和原图是一一对应的，如图上蓝色的格子对应蓝色的区域，这不就是相当于在原图上做大小为14x14的窗口滑动，且步长为2，共产生4个字区域。最终输出的通道数为4，可以看成4个类别的预测概率值，这样一次CNN计算就可以实现窗口滑动的所有子区域的分类预测。这其实是overfeat算法的思路。之所可以CNN可以实现这样的效果是因为卷积操作的特性，就是图片的空间位置信息的不变性，尽管卷积过程中图片大小减少，但是位置对应关系还是保存的。这个思路也被R-CNN借鉴，从而诞生了Fast R-cNN算法。
上面尽管可以减少滑动窗口的计算量，但是只是针对一个固定大小与步长的窗口，这是远远不够的。Yolo算法很好的解决了这个问题，它不再是窗口滑动了，而是直接将原始图片分割成互不重合的小方块，然后通过卷积最后生产这样大小的特征图，基于上面的分析，可以认为特征图的每个元素也是对应原始图片的一个小方块，然后用每个元素来可以预测那些中心点在该小方格内的目标，这就是Yolo算法的朴素思想。
整体来看，Yolo算法采用一个单独的CNN模型实现end-to-end的目标检测，整个系统如图所示：首先将输入图片resize到448x448，然后送入CNN网络，最后处理网络预测结果得到检测的目标。相比R-CNN算法，其是一个统一的框架，其速度更快，而且Yolo的训练过程也是end-to-end的。
具体来说，Yolo的CNN网络将输入的图片分割成 网格，然后每个单元格负责去检测那些中心点落在该格子内的目标，如图所示，可以看到狗这个目标的中心落在左下角一个单元格内，那么该单元格负责预测这个狗。每个单元格会预测B个边界框（bounding box）以及边界框的 置信度 （confidence score）。所谓置信度其实包含两个方面，一是这个边界框含有目标的可能性大小，二是这个边界框的准确度。前者记为 ，当该边界框是背景时（即不包含目标），此时 。而当该边界框包含目标时， 。边界框的准确度可以用预测框与实际框（ground truth）的 IOU （intersection over union，交并比）来表征，记为 IOU 。因此置信度可以定义为 。
很多人可能将Yolo的置信度看成边界框是否含有目标的概率，但是其实它是两个因子的乘积，预测框的准确度也反映在里面。边界框的大小与位置可以用4个值来表征：(x,y,h,w)，其中(x,y)是边界框的中心坐标，而w和h是边界框的宽与高。还有一点要注意，中心坐标的预测值(x,y)是相对于每个单元格左上角坐标点的偏移值，并且单位是相对于单元格大小的，单元格的坐标定义如图所示。而边界框的w和h预测值是相对于整个图片的宽与高的比例，这样理论上4个元素的大小应该在[0,1]范围。这样，每个边界框的预测值实际上包含5个元素：(x,y,w,h,c)，其中前4个表征边界框的大小与位置，而最后一个值是置信度。
值得注意的是，不管一个单元格预测多少个边界框，其只预测一组类别概率值，这是Yolo算法的一个缺点，在后来的改进版本中，Yolo9000是把类别概率预测值与边界框是绑定在一起的。同时，我们可以计算出各个边界框类别置信度（class-specificconfidence scores）:
边界框类别置信度表征的是该边界框中目标属于各个类别的可能性大小以及边界框匹配目标的好坏。后面会说，一般会根据类别置信度来过滤网络的预测框。
总结一下，每个单元格需要预测 个值。如果将输入图片划分为 网格，那么最终预测值为 大小的张量。整个模型的预测值结构如下图所示。对于PASCALVOC数据，其共有20个类别，如果使用S=7,B=2,那么最终的预测结果就是 大小的张量。在下面的网络结构中我们会详细讲述每个单元格的预测值的分布位置。
Yolo采用卷积网络来提取特征，然后使用全连接层来得到预测值。网络结构参考GooLeNet模型，包含24个卷积层和2个全连接层，如图所示。对于卷积层，主要使用1x1卷积来做channle rection，然后紧跟3x3卷积。对于卷积层和全连接层，采用Leaky ReLU激活函数：max(x,0)。但是最后一层却采用线性激活函数。除了上面这个结构，文章还提出了一个轻量级版本Fast Yolo，其仅使用9个卷积层，并且卷积层中使用更少的卷积核。
可以看到网络的最后输出为 大小的张量。这和前面的讨论是一致的。这个张量所代表的具体含义如图所示。对于每一个单元格，前20个元素是类别概率值，然后2个元素是边界框置信度，两者相乘可以得到类别置信度，最后8个元素是边界框的(x,y,w,h)。大家可能会感到奇怪，对于边界框为什么把置信度c和(x,y,w,h)都分开排列，而不是按照(x,y,w,h,c)这样排列，其实纯粹是为了计算方便，因为实际上这30个元素都是对应一个单元格，其排列是可以任意的。但是分离排布，可以方便地提取每一个部分。这里来解释一下，首先网络的预测值是一个二维张量P，其shape为 。
采用切片，那么 就是类别概率部分; 是置信度部分; 是边界框的预测结果。这样，提取每个部分是非常方便的，这会方面后面的训练及预测时的计算。
在训练之前，先在ImageNet上进行了预训练，其预训练的分类模型采用图中前20个卷积层，然后添加一个average-pool层和全连接层。预训练之后，在预训练得到的20层卷积层之上加上随机初始化的4个卷积层和2个全连接层。由于检测任务一般需要更高清的图片，所以将网络的输入从224x224增加到了448x448。整个网络的流程如下图所示：
损失函数计算如下：
其中第一项是边界框中心坐标的误差项， 指的是第i个单元格存在目标，且该单元格中的第j个边界框负责预测该目标。第二项是边界框的高与宽的误差项。第三项是包含目标的边界框的置信度误差项。第四项是不包含目标的边界框的置信度误差项。而最后一项是包含目标的单元格的分类误差项， 指的是第i个单元格存在目标。
在说明Yolo算法的预测过程之前，这里先介绍一下非极大值抑制算法（non maximum suppression, NMS），这个算法不单单是针对Yolo算法的，而是所有的检测算法中都会用到。NMS算法主要解决的是一个目标被多次检测的问题，如图中人脸检测，可以看到人脸被多次检测，但是其实我们希望最后仅仅输出其中一个最好的预测框，比如对于美女，只想要红色那个检测结果。那么可以采用NMS算法来实现这样的效果：首先从所有的检测框中找到置信度最大的那个框，然后挨个计算其与剩余框的IOU，如果其值大于一定阈值（重合度过高），那么就将该框剔除；然后对剩余的检测框重复上述过程，直到处理完所有的检测框。
下面就来分析Yolo的预测过程，这里我们不考虑batch，认为只是预测一张输入图片。根据前面的分析，最终的网络输出是 ，但是我们可以将其分割成三个部分：类别概率部分为 ，置信度部分为 ，而边界框部分为 （对于这部分不要忘记根据原始图片计算出其真实值）。然后将前两项相乘可以得到 类别置信度值为 ，这里总共预测了 边界框。
所有的准备数据已经得到了，那么先说第一种策略来得到检测框的结果。首先，对于每个预测框根据类别置信度选取置信度最大的那个类别作为其预测标签，经过这层处理我们得到各个预测框的预测类别及对应的置信度值，其大小都是[7,7,2]。一般情况下，会设置置信度阈值，就是将置信度小于该阈值的box过滤掉，所以经过这层处理，剩余的是置信度比较高的预测框。最后再对这些预测框使用NMS算法，最后留下来的就是检测结果。一个值得注意的点是NMS是对所有预测框一视同仁，还是区分每个类别，分别使用NMS。Ng在deeplearning.ai中讲应该区分每个类别分别使用NMS，但是看了很多实现，其实还是同等对待所有的框，可能是不同类别的目标出现在相同位置这种概率很低吧。
上面的预测方法应该非常简单明了，但是对于Yolo算法，其却采用了另外一个不同的处理思路（至少从C源码看是这样的），其区别就是先使用NMS，然后再确定各个box的类别。其基本过程如图所示。对于98个boxes，首先将小于置信度阈值的值归0，然后分类别地对置信度值采用NMS，这里NMS处理结果不是剔除，而是将其置信度值归为0。最后才是确定各个box的类别，当其置信度值不为0时才做出检测结果输出。这个策略不是很直接，但是貌似Yolo源码就是这样做的。Yolo论文里面说NMS算法对Yolo的性能是影响很大的，所以可能这种策略对Yolo更好。
总结一下Yolo的优缺点。首先是优点，Yolo采用一个CNN网络来实现检测，是单管道策略，其训练与预测都是end-to-end，所以Yolo算法比较简洁且速度快。第二点由于Yolo是对整张图片做卷积，所以其在检测目标有更大的视野，它不容易对背景误判。另外，Yolo的泛化能力强，在做迁移时，模型鲁棒性高。
Yolo的缺点，首先Yolo各个单元格仅仅预测两个边界框，而且属于一个类别。对于小物体，Yolo的表现会不如人意。这方面的改进可以看SSD，其采用多尺度单元格。也可以看Faster R-CNN，其采用了anchor boxes。Yolo对于在物体的宽高比方面泛化率低，就是无法定位不寻常比例的物体。当然Yolo的定位不准确也是很大的问题。
参考链接
YOLO算法的原理与实现
https://cloud.tencent.com/developer/article/1058057