要从事计算机视觉与深度学习这个与人工智能关系密切的职业的话，那么必须对CNN有深刻的理解，本人未来打算找cv方向的AI工作，所以，通过学习大佬的文章来总结记录知识，到时候面试容易查找复习。
这次学习了目标检测的开山鼻祖RCNN。RCNN (论文：Rich feature hierarchies for accurate object detection and semantic segmentation) 是将CNN方法引入目标检测领域， 大大提高了目标检测效果，可以说改变了目标检测领域的主要研究思路。
【论文主要特点】（相对传统方法的改进）
速度： 经典的目标检测算法使用滑动窗法依次判断所有可能的区域。本文则(采用Selective Search方法)预先提取一系列较可能是物体的候选区域，之后仅在这些候选区域上(采用CNN)提取特征，进行判断。
训练集： 经典的目标检测算法在区域中提取人工设定的特征。本文则采用深度网络进行特征提取。使用两个数据库： 一个较大的识别库（ImageNet ILSVC 2012）：标定每张图片中物体的类别。一千万图像，1000类。 一个较小的检测库（PASCAL VOC 2007）：标定每张图片中，物体的类别和位置，一万图像，20类。 本文使用识别库进行预训练得到CNN（有监督预训练），而后用检测库调优参数，最后在检测库上评测。
【基本流程 =========================】
RCNN算法分为4个步骤
候选区域生成： 一张图像生成1K~2K个候选区域 （采用Selective Search 方法）
特征提取： 对每个候选区域，使用深度卷积网络提取特征 （CNN）
类别判断： 特征送入每一类的SVM 分类器，判别是否属于该类
位置精修： 使用回归器精细修正候选框位置
region proposal
使用了Selective Search方法从一张图像生成约2000-3000个候选区域。基本思路如下：
- 使用一种过分割手段，将图像分割成小区域
- 查看现有小区域，合并可能性最高的两个区域。重复直到整张图像合并成一个区域位置
- 输出所有曾经存在过的区域，所谓候选区域
候选区域生成和后续步骤相对独立，实际可以使用任意算法进行。
合并规则
优先合并以下四种区域：
- 颜色（颜色直方图）相近的
- 纹理（梯度直方图）相近的
- 合并后总面积小的
- 合并后，总面积在其BBOX中所占比例大的
保证合并操作的尺度较为均匀，避免一个大区域陆续“吃掉”其他小区域。
例：设有区域a-b-c-d-e-f-g-h。较好的合并方式是：ab-cd-ef-gh -> abcd-efgh -> abcdefgh。
不好的合并方法是：ab-c-d-e-f-g-h ->abcd-e-f-g-h ->abcdef-gh -> abcdefgh。
保证合并后形状规则。上述规则只涉及区域的颜色直方图、纹理直方图、面积和位置。合并后的区域特征可以直接由子区域特征计算而来，速度较快。
重叠度（IOU）:
物体检测需要定位出物体的bounding box，就像下面的图片一样，我们不仅要定位出车辆的bounding box 我们还要识别出bounding box 里面的物体就是车辆。
对于bounding box的定位精度，有一个很重要的概念： 因为我们算法不可能百分百跟人工标注的数据完全匹配，因此就存在一个定位精度评价公式：IOU。 它定义了两个bounding box的重叠度，如下图所示
就是矩形框A、B的重叠面积占A、B并集的面积比例。
非极大值抑制（NMS）：
RCNN会从一张图片中找出n个可能是物体的矩形框，然后为每个矩形框为做类别分类概率：
就像上面的图片一样，定位一个车辆，最后算法就找出了一堆的方框，我们需要判别哪些矩形框是没用的。非极大值抑制的方法是：先假设有6个矩形框，根据分类器的类别分类概率做排序，假设从小到大属于车辆的概率 分别为A、B、C、D、E、F。
(1)从最大概率矩形框F开始，分别判断A~E与F的重叠度IOU是否大于某个设定的阈值;
(2)假设B、D与F的重叠度超过阈值，那么就扔掉B、D；并标记第一个矩形框F，是我们保留下来的。
(3)从剩下的矩形框A、C、E中，选择概率最大的E，然后判断E与A、C的重叠度，重叠度大于一定的阈值，那么就扔掉；并标记E是我们保留下来的第二个矩形框。
就这样一直重复，找到所有被保留下来的矩形框。
非极大值抑制（NMS）顾名思义就是抑制不是极大值的元素，搜索局部的极大值。这个局部代表的是一个邻域，邻域有两个参数可变，一是邻域的维数，二是邻域的大小。这里不讨论通用的NMS算法，而是用于在目标检测中用于提取分数最高的窗口的。例如在行人检测中，滑动窗口经提取特征，经分类器分类识别后，每个窗口都会得到一个分数。但是滑动窗口会导致很多窗口与其他窗口存在包含或者大部分交叉的情况。这时就需要用到NMS来选取那些邻域里分数最高（是行人的概率最大），并且抑制那些分数低的窗口。
各个阶段详解
总体思路再回顾：
首先对每一个输入的图片产生近2000个不分种类的候选区域（region proposals），然后使用CNNs从每个候选框中提取一个固定长度的特征向量（4096维度），接着对每个取出的特征向量使用特定种类的线性SVM进行分类。也就是总个过程分为三个程序：a、找出候选框；b、利用CNN提取特征向量；c、利用SVM进行特征向量分类。
候选框搜索阶段：
当我们输入一张图片时，我们要搜索出所有可能是物体的区域，这里采用的就是前面提到的Selective Search方法，通过这个算法我们搜索出2000个候选框。然后从上面的总流程图中可以看到，搜出的候选框是矩形的，而且是大小各不相同。然而CNN对输入图片的大小是有固定的，如果把搜索到的矩形选框不做处理，就扔进CNN中，肯定不行。因此对于每个输入的候选框都需要缩放到固定的大小。下面我们讲解要怎么进行缩放处理，为了简单起见我们假设下一阶段CNN所需要的输入图片大小是个正方形图片227*227。因为我们经过selective search 得到的是矩形框，paper试验了两种不同的处理方法：
(1)各向异性缩放
这种方法很简单，就是不管图片的长宽比例，管它是否扭曲，进行缩放就是了，全部缩放到CNN输入的大小227*227，如下图(D)所示；
(2)各向同性缩放
因为图片扭曲后，估计会对后续CNN的训练精度有影响，于是作者也测试了“各向同性缩放”方案。有两种办法
A、先扩充后裁剪： 直接在原始图片中，把bounding box的边界进行扩展延伸成正方形，然后再进行裁剪；如果已经延伸到了原始图片的外边界，那么就用bounding box中的颜色均值填充；如上图(B)所示;
B、先裁剪后扩充：先把bounding box图片裁剪出来，然后用固定的背景颜色填充成正方形图片(背景颜色也是采用bounding box的像素颜色均值),如上图©所示;
对于上面的异性、同性缩放，文献还有个padding处理，上面的示意图中第1、3行就是结合了padding=0,第2、4行结果图采用padding=16的结果。经过最后的试验，作者发现采用各向异性缩放、padding=16的精度最高。
（备注：候选框的搜索策略作者也考虑过使用一个滑动窗口的方法，然而由于更深的网络，更大的输入图片和滑动步长，使得使用滑动窗口来定位的方法充满了挑战。）
CNN特征提取阶段：
1、算法实现
a、网络结构设计阶段
网络架构两个可选方案：第一选择经典的Alexnet；第二选择VGG16。经过测试Alexnet精度为58.5%，VGG16精度为66%。VGG这个模型的特点是选择比较小的卷积核、选择较小的跨步，这个网络的精度高，不过计算量是Alexnet的7倍。后面为了简单起见，我们就直接选用Alexnet，并进行讲解；Alexnet特征提取部分包含了5个卷积层、2个全连接层，在Alexnet中p5层神经元个数为9216、 f6、f7的神经元个数都是4096，通过这个网络训练完毕后，最后提取特征每个输入候选框图片都能得到一个4096维的特征向量。
b、网络有监督预训练阶段 （图片数据库：ImageNet ILSVC ）参数初始化部分：物体检测的一个难点在于，物体标签训练数据少，如果要直接采用随机初始化CNN参数的方法，那么目前的训练数据量是远远不够的。这种情况下，最好的是采用某些方法，把参数初始化了，然后在进行有监督的参数微调，这里文献采用的是有监督的预训练。所以paper在设计网络结构的时候，是直接用Alexnet的网络，然后连参数也是直接采用它的参数，作为初始的参数值，然后再fine-tuning训练。网络优化求解时采用随机梯度下降法，学习率大小为0.001；
C、fine-tuning阶段 （图片数据库： PASCAL VOC）我们接着采用 selective search 搜索出来的候选框 （PASCAL VOC 数据库中的图片） 继续对上面预训练的CNN模型进行fine-tuning训练。假设要检测的物体类别有N类，那么我们就需要把上面预训练阶段的CNN模型的最后一层给替换掉，替换成N+1个输出的神经元(加1，表示还有一个背景) (20 + 1bg = 21)，然后这一层直接采用参数随机初始化的方法，其它网络层的参数不变；接着就可以开始继续SGD训练了。开始的时候，SGD学习率选择0.001，在每次训练的时候，我们batch size大小选择128，其中32个是正样本、96个是负样本。
关于正负样本问题：
一张照片我们得到了2000个候选框。然而人工标注的数据一张图片中就只标注了正确的bounding box，我们搜索出来的2000个矩形框也不可能会出现一个与人工标注完全匹配的候选框。因此在CNN阶段我们需要用IOU为2000个bounding box打标签。如果用selective search挑选出来的候选框与物体的人工标注矩形框（PASCAL VOC的图片都有人工标注）的重叠区域IoU大于0.5，那么我们就把这个候选框标注成物体类别（正样本），否则我们就把它当做背景类别（负样本）。
（备注： 如果不针对特定任务进行fine-tuning，而是把CNN当做特征提取器，卷积层所学到的特征其实就是基础的共享特征提取层，就类似于SIFT算法一样，可以用于提取各种图片的特征，而f6、f7所学习到的特征是用于针对特定任务的特征。打个比方：对于人脸性别识别来说，一个CNN模型前面的卷积层所学习到的特征就类似于学习人脸共性特征，然后全连接层所学习的特征就是针对性别分类的特征了）
SVM训练、测试阶段
训练阶段：
这是一个二分类问题，我么假设我们要检测车辆。我们知道只有当bounding box把整量车都包含在内，那才叫正样本；如果bounding box 没有包含到车辆，那么我们就可以把它当做负样本。但问题是当我们的检测窗口只有部分包含物体，那该怎么定义正负样本呢？作者测试了IOU阈值各种方案数值0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5。最后通过训练发现，如果选择IOU阈值为0.3效果最好（选择为0精度下降了4个百分点，选择0.5精度下降了5个百分点）,即当重叠度小于0.3的时候，我们就把它标注为负样本。一旦CNN f7层特征被提取出来，那么我们将为每个物体类训练一个svm分类器。当我们用CNN提取2000个候选框，可以得到20004096这样的特征向量矩阵，然后我们只需要把这样的一个矩阵与svm权值矩阵4096N点乘(N为分类类别数目，因为我们训练的N个svm，每个svm包含了4096个权值w)，就可以得到结果了。
得到的特征输入到SVM进行分类看看这个feature vector所对应的region proposal是需要的物体还是无关的实物(background) 。 排序，canny边界检测之后就得到了我们需要的bounding-box。
再回顾总结一下：整个系统分为三个部分：1.产生不依赖与特定类别的region proposals，这些region proposals定义了一个整个检测器可以获得的候选目标2.一个大的卷积神经网络，对每个region产生一个固定长度的特征向量3.一系列特定类别的线性SVM分类器。
位置精修： 目标检测问题的衡量标准是重叠面积：许多看似准确的检测结果，往往因为候选框不够准确，重叠面积很小。故需要一个位置精修步骤。 回归器：对每一类目标，使用一个线性脊回归器进行精修。正则项λ=10000。 输入为深度网络pool5层的4096维特征，输出为xy方向的缩放和平移。 训练样本：判定为本类的候选框中和真值重叠面积大于0.6的候选框。
测试过程：
1、输入一张图像，利用selective search得到2000个region proposal。
2、对所有region proposal变换到固定尺寸并作为已训练好的CNN网络的输入，得到f7层的4096维特征，所以f7层的输出是2000*4096。
3、对每个类别，采用已训练好的这个类别的svm分类器对提取到的特征打分，所以SVM的weight matrix是4096N，N是类别数，这里一共有20个SVM，N=20注意不是21。得分矩阵是200020，表示每个region proposal属于某一类的得分。
4、采用non-maximun suppression（NMS）对得分矩阵中的每一列中的region proposal进行剔除，就是去掉重复率比较高的几个region proposal，得到该列中得分最高的几个region proposal。NMS的意思是：举个例子，对于2000*20中的某一列得分，找到分数最高的一个region proposal，然后只要该列中其他region proposal和分数最高的IOU超过某一个阈值，则剔除该region proposal。这一轮剔除完后，再从剩下的region proposal找到分数最高的，然后计算别的region proposal和该分数最高的IOU是否超过阈值，超过的继续剔除，直到没有剩下region proposal。对每一列都这样操作，这样最终每一列（即每个类别）都可以得到一些region proposal。
5、用N=20个回归器对第4步得到的20个类别的region proposal进行回归，要用到pool5层的特征。pool5特征的权重W是在训练阶段的结果，测试的时候直接用。最后得到每个类别的修正后的bounding box。
缺点
R-CNN流程较多，包括region proposal的选取，训练卷积神经网络（softmax classifier，log loss），训练SVM（hinge loss）和训练 regressor（squared loss），这使得训练时间非常长（84小时），占用磁盘空间也大。在训练卷积神经网络的过程中对每个region proposal都要计算卷积，这其中重复的太多不必要的计算，试想一张图像可以得到2000多个region proposal，大部分都有重叠，因此基于region proposal卷积的计算量太大，而这也正是之后Fast R-CNN主要解决的问题！
