目标检测（凑字数，凑字数，为什么标题一定要五个字）

写在最前：

昨天七夕，一个人躲在家里打游戏，不敢出门，怕被喂狗粮。

一个即将步入中年的老男人，弱小，无助，单身，肥胖，贫穷。但是怀揣着一丢丢情怀和梦想，妄图吃上天鹅肉，在奋斗与躺平之间挣扎着，最终，变成了间接性摆烂。

我是一条咸鱼，但是！我也要翻身，做个咸鱼之王（打钱！！！）话说煎的黄鱼是真的好吃，今晚奖励自己，搞一顿。

咳咳，跑题了，许个愿吧，愿你未来可期。

进入正题

又到了大家喜闻乐见的举栗子环节！！！

如图，这车真白，这车真的很白，凯迪拉克LYRIQ，这里就不贴参数了，帅就完事儿了！！！（方向盘跑偏的事儿，另说）

这篇文章主题是啥，目标检测

你们第一眼看到的是啥，我猜肯定是车，毕竟那么大（手动滑稽）

看框框，目标我就不赘述了，DDDD

什么是目标检测

• 物体识别是要分辨出图片中有什么物体，输入是图片，输出是类别标签和概率。物体检测算法不仅要检测图片中有什么物体，还要输出物体的外框（ x, y, width, height）来定位物体的位置。 • object detection，也可以叫location（房地产最重要的是location location 还是TMD location） 就是在给定的图片中精确找到物体所在位置，并标注出物体的类别。 • object detection，要解决的问题就是物体在哪里以及是什么的整个流程问题。 • 然而，这个问题可不是那么容易解决的，物体的尺寸变化范围很大，摆放物体的角度，姿态不定，而且可以出现在图片的任何地方，更何况物体还可以是多个类别。 那怎么办捏？！ 目前学术和工业界出现的目标检测算法分成3类： 1. 传统的目标检测算法：Cascade + HOG/DPM + Haar/SVM以及上述方法的诸多改进、优化； 2. 候选区域/框 + 深度学习分类：通过提取候选区域，并对相应区域进行以深度学习方法为主的分类的方案，如： • R-CNN（Selective Search + CNN + SVM） • SPP-net（ROI Pooling） • Fast R-CNN（Selective Search + CNN + ROI） • Faster R-CNN（RPN + CNN + ROI） 3. 基于深度学习的回归方法：YOLO/SSD 等方法 上面三种思想看看就行了，具体什么情况，我也不知道，也不敢乱说，那帮人，不熟

IOU（哎~欧呦~）

Intersection over Union 是一种测量在特定数据集中检测相应物体准确度的一个标准。 IoU是一个简单的测量标准，只要是在输出中得出一个预测范围(bounding boxex)的任务都可以用IoU来进行测量。 为了可以使IoU用于测量任意大小形状的物体检测，我们需要： 1、Ground-truth bounding boxes（人为在训练集图像中标出要检测物体的大概范围）； 2、我们的算法得出的结果范围。 也就是说，这个标准用于测量真实和预测之间的相关度，相关度越高，该值越高。

再举一个栗子：

绿色是Ground-truth bounding boxes

红色是bounding boxex

IOU怎么算的呢：

说明一下啊，这个评判标准不是死的啊，可以自己定，如果我设定标准是0.5，那么所有的都合格，如果是0.99，那么所有的都不合格，哎，好难，爱情也是（emo time）

TP TN FP FN

TP TN FP FN里面一共出现了4个字母，分别是T F P N。 T是True； F是False； P是Positive； N是Negative。 T或者F代表的是该样本 是否被正确分类。 P或者N代表的是该样本 原本是正样本还是负样本。

还是这张图，你把红框分类成车就是正样本，把绿框分类成车就是......emm，就是负样本，对负样本

TP（True Positives）意思就是被分为了正样本，而且分对了。 TN（True Negatives）意思就是被分为了负样本，而且分对了， FP（False Positives）意思就是被分为了正样本，但是分错了（事实上这个样本是负样本）。 FN（False Negatives）意思就是被分为了负样本，但是分错了（事实上这个样本是正样本）。 在mAP计算的过程中主要用到了，TP、FP、FN这三个概念。

precision（精确度）和recall（召回率）

TP是分类器认为是正样本而且确实是正样本的例子，FP是分类器认为是正样本但实际上不是正样本的例子，Precision翻译成中文就是“分类器认为是正类并且确实是正类的部分占所有分类器认为是正类的比例”。

TP是分类器认为是正样本而且确实是正样本的例子，FN是分类器认为是负样本但实际上不是负样本的例子，Recall翻译成中文就是“分类器认为是正类并且确实是正类的部分占所有确实是正类的比例”。 精度就是找得对，召回率就是找得全。 轮胎宽就是快，马力大就是好！！！

看!灰机!

打下来(手动狗头)

• 蓝色的框是真实框。绿色和红色的框是预测框，绿色的框是正样本，红色的框是负样本。 • 一般来讲，当预测框和真实框IOU>=0.5时，被认为是正样本。(注意:是一般来讲,你设置0.7也行)

边框回归Bounding-Box regression

红色的是BB,绿色是GT

可以看出绿色把飞机整体框出来了,但是红色就没有,鸡翅漏掉了,鸡翅呢?我吃掉了.

边框回归是什么？ • 对于窗口一般使用四维向量(x,y,w,h) 来表示， 分别表示窗口的中心点坐标和宽高。 • 红色的框 P 代表原始的Proposal,； • 绿色的框 G 代表目标的 Ground Truth； 目标是寻找一种关系使得输入原始的窗口 P 经过映射得到一个跟真实窗口 G 更接近的回归窗口G^。 所以，边框回归的目的即是： 给定(Px,Py,Pw,Ph)寻找一种映射f， 使得：f(Px,Py,Pw,Ph)=(Gx^ ,Gy^ ,Gw^ ,Gh^)并且 (Gx^ ,Gy^ ,Gw^ ,Gh^)≈(Gx,Gy,Gw,Gh) 中间的点是各个框的中心点,就是传说中的准心

怎么做？

比较简单的思路就是: 平移+尺度缩放

Input: P=(Px,Py,Pw,Ph)(注：训练阶段输入还包括 Ground Truth） 为什么要带上GT,训练得有标准嘛,没标准训练个锤子🔨 Output: 需要进行的平移变换和尺度缩放 dx,dy,dw,dh ，或者说是Δx,Δy,Sw,Sh 。有了这四个变换我们就可以直接得到 Ground Truth。 目标检测

Two stage

候选区域/框 + 深度学习分类：通过提取候选区域，并对相应区域进行以深度学习方法为主的分类的方案，如： • R-CNN（Selective Search + CNN + SVM） • SPP-net（ROI Pooling） • Fast R-CNN（Selective Search + CNN + ROI） • Faster R-CNN（RPN + CNN + ROI）

Selective Search

Selective Search 通过颜色、纹理、大小等特征的相似度把图像分成许多个不同的区域。目标检测算法可以从这些区域中检测对象，加快检测速度。

第一步，使用 Efficient graph-based image segmentation 算法（基于图的图像分割） 生成初始区域集R，同时设置区域相似S为空集。 第二步，对于相邻的区域（ri，rj），计算他们的相似度s（ri，rj），并添加到相似集S中 第三步，获取S中相似度最高的两个区域s（ri，rj） 第四步，合并区域ri和rj成rt 第五步，删除与ri和rj有关的相似度 第六步，计算新区域rt与相邻区域的相似度St，并把St添加到S中，rt添加到区域集R中 第七步，如果S不为空，返回第三步。 总的来说，Selective Search 算法不断合并相似的区域。

是不是感觉似曾相识？

图像聚类算法_LYRIQ777的博客-CSDN博客

是不是有点像啊

上菜!!!Faster-RCNN

Faster RCNN可以分为4个主要内容： 1. Conv layers： 作为一种CNN网络目标检测方法，FasterRCNN首先使用一组基础的conv+relu+pooling层提取image的feature maps。该feature maps被共享用于后续RPN层和全连接层。 2. Region Proposal Networks（RPN）： RPN网络用于生成region proposals。通过softmax判断anchors属于positive或者negative，再利用bounding box regression修正anchors获得精确的proposals。 3. Roi Pooling： 该层收集输入的feature maps和proposals，综合这些信息后提取proposal feature maps，送入后续全连接层判定目标类别。 4. Classification： 利用proposal feature maps计算proposal的类别，同时再次bounding box regression获得检测框最终的精确位置。

1:Conv layers

Conv layers包含了conv，pooling，relu三种层。共有13个conv层，13个relu层，4个pooling层。在Conv layers中： 1. 所有的conv层都是：kernel_size=3，pad=1，stride=1 2. 所有的pooling层都是：kernel_size=2，pad=1，stride=2 在Faster RCNN Conv layers中对所有的卷积都做了pad处理（ pad=1，即填充一圈0），导致原图变为 (M+2)x(N+2)大小，再做3x3卷积后输出MxN 。正是这种设置，导致Conv layers中的conv层不改变输入和输出矩阵大小。

类似的是，Conv layers中的pooling层kernel_size=2，stride=2。 这样每个经过pooling层的MxN矩阵，都会变为(M/2)x(N/2)大小。 综上所述，在整个Conv layers中，conv和relu层不改变输入输出大小，只有pooling层使输出长宽都变为输入的1/2。 那么， 一个MxN大小的矩阵经过Conv layers固定变为(M/16)x(N/16)。这样Conv layers生成的feature map都可以和原图对应起来。

2:区域生成网络Region Proposal Networks(RPN)

经典的检测方法生成检测框都非常耗时。直接使用RPN生成检测框，是Faster R-CNN的巨 大优势，能极大提升检测框的生成速度。

• 可以看到RPN网络实际分为2条线： 1. 上面一条通过softmax分类anchors，获得positive和negative分类； 2. 下面一条用于计算对于anchors的bounding box regression偏移量，以获得精确的proposal。 • 而最后的Proposal层则负责综合positive anchors和对应bounding box regression偏移量获取proposals，同时剔除太小和超出边界的proposals。 • 其实整个网络到了Proposal Layer这里，就完成了相当于目标定位的功能。

anchors

RPN网络在卷积后，对每个像素点，上采样映射到原始图像一个区域，找到这个区域的中心位置，然后基于这个中心位置按规则选取9种anchor box（就是9个不同尺寸的框框）。 9个矩形共有3种面积：128,256,512; 3种形状：长宽比大约为1:1, 1:2, 2:1。 (不是固定比例，可调)每行的4个值表示矩形左上和右下角点坐标。

遍历Conv layers获得的feature maps，为每一个点都配备这9种anchors作为初始的检测框。

softmax判定positive与negative

其实RPN最终就是在原图尺度上，设置了密密麻麻的候选Anchor。然后用cnn去判断哪些Anchor是里面有目标的positive anchor，哪些是没目标的negative anchor。所以，仅仅是个二分类而已。

可以看到其conv的num_output=18，也就是经过该卷积的输出图像为WxHx18大小。 这也就刚好对应了feature maps每一个点都有9个anchors，同时每个anchors又有可能是positive和negative，所有这些信息都保存在WxHx(9*2)大小的矩阵。 为何这样做？ 后面接softmax分类获得positive anchors，也就相当于初步提取了检测目标候选区域box（一般认为目标在positive anchors中）。 那么为何要在softmax前后都接一个reshape layer？ 其实只是为了便于softmax分类。 前面的positive/negative anchors的矩阵，其在caffe中的存储形式为[1, 18, H, W]。而在softmax分类时需要进行positive/negative二分类，所以reshape layer会将其变为[1, 2, 9xH, W]大小，即 单独“腾空”出来一个维度以便softmax分类，之后再reshape回复原状。 综上所述，RPN网络中利用anchors和softmax初步提取出positive anchors作为候选区域。

对proposals进行bounding box regression

可以看到conv的 num_output=36，即经过该卷积输出图像为WxHx36。 这里相当于feature maps每个点都有9个anchors，每个anchors又都有4个用于回归的变换量：

3:Proposal Layer

Proposal Layer负责综合所有变换量和positive anchors，计算出精准的proposal，送入后续RoI Pooling Layer。 Proposal Layer有4个输入： 1. positive vs negative anchors分类器结果rpn_cls_prob_reshape， 2. 对应的bbox reg的变换量rpn_bbox_pred， 3. im_info 4. 参数feature_stride=16 im_info：对于一副任意大小PxQ图像，传入Faster RCNN前首先reshape到固定MxN，im_info=[M, N,scale_factor]则保存了此次缩放的所有信息。 输入图像经过Conv Layers，经过4次pooling变为WxH=(M/16)x(N/16)大小，其中feature_stride=16则保存了该信息，用于计算anchor偏移量。 Proposal Layer 按照以下顺序依次处理： 1. 利用变换量对所有的positive anchors做bbox regression回归 2. 按照输入的positive softmax scores由大到小排序anchors，提取前pre_nms_topN(e.g. 6000)个anchors，即提取修正位置后的positive anchors。 3. 对剩余的positive anchors进行NMS（non-maximum suppression）。 4. 之后输出proposal。 严格意义上的检测应该到此就结束了，后续部分应该属于识别了。 RPN网络结构，总结起来： 生成anchors -> softmax分类器提取positvie anchors -> bbox reg回归positive anchors -> Proposal Layer生成proposals

4:Roi pooling

RoI Pooling层则负责收集proposal，并计算出proposal feature maps，送入后续网络。 Rol pooling层有2个输入： 1. 原始的feature maps 2. RPN输出的proposal boxes （大小各不相同） 为何需要RoI Pooling？ 对于传统的CNN（如AlexNet和VGG），当网络训练好后输入的图像尺寸必须是固定值，同时网络输出也是固定大小的vector or matrix。如果输入图像大小不定，这个问题就变得比较麻烦。 有2种解决办法： 1. 从图像中crop一部分传入网络将图像（破坏了图像的完整结构） 2. warp成需要的大小后传入网络（破坏了图像原始形状信息）

RoI Pooling原理 新参数pooled_w、pooled_h和spatial_scale（1/16） RoI Pooling layer forward过程： 1. 由于proposal是对应M*N 尺度 的，所以首先使用spatial_scale参数将其映射回(M/16)*(N/16)大小的feature map尺度 ； 2. 再将每个proposal对应的feature map区域水平分为pooled_w * pooled_h的网格； 3. 对网格的每一份都进行max pooling处理。 这样处理后，即使大小不同的proposal输出结果都是pooled_w * pooled_h固定大小，实现了固定长度输出。

5:Classification

Classification部分利用已经获得的proposal feature maps，通过full connect层与softmax计算每个proposal具体属于那个类别（如人，车，电视等），输出cls_prob概率向量； 同时再次利用bounding box regression获得每个proposal的位置偏移量bbox_pred，用于回归更加精确的目标检测框。

从RoI Pooling获取到pooled_w * pooled_h大小的proposal feature maps后，送入后续网络，做了如下2件事： 1. 通过全连接和softmax对proposals进行分类，这实际上已经是识别的范畴了 2. 再次对proposals进行bounding box regression，获取更高精度的预测框 全连接层InnerProduct layers ：

 

输入X和输出Y是固定大小。所以，这也就印证了之前Roi Pooling的 必要性

One stage（一步）

一步是我起的名字，作为一个有情怀的人很容易让我想起one step

这个图标是不是特别好看，没听过？锤子！（不是骂人哈，这是一个曾经辉煌，但是消失了的手机品牌）。

锤子死后，地球上就没有什么好用的手机了，小米很平庸，毫无亮点，小米的设计就没有设计（就是丑），小米最好看的手机是mix1代，小米就像红旗（车的品牌）一样。自行体会。

扯远了，回头有机会，专门出一期。

two stage和one stage

two-stage： two-stage算法会先使用一个网络生成proposal，如selective search和RPN网络， RPN出现后，ss方法基本就被摒弃了。RPN网络接在图像特征提取网络backbone后，会设置RPN loss（bbox regression loss+classification loss）对RPN网络进行训练，RPN生成的proposal再送到后面的网络中进行更精细的bbox regression和classification。 one-stage ： One-stage追求速度舍弃了two-stage架构，即不再设置单独网络生成proposal，而 是直接在feature map上进行密集抽样，产生大量的先验框，如YOLO的网格方法。这些先验框没 有经过两步处理，且框的尺寸往往是人为规定。 two-stage 算法主要是RCNN系列，包括 RCNN , Fast - RCNN ， Faster - RCNN 。之后的 Mask-RCNN融合了Faster-RCNN架构、ResNet和FPN（Feature Pyramid Networks）backbone，以及FCN里的segmentation方法，在完成了segmentation的同时也提高了detection的精度。 one-stage 算法最典型的是 YOLO， 该算法速度极快。

YOLO（You Only Look Once）

以YOLO3举例子：

图中，不同的颜色框代表的是识别出来的不同事物的类型，上方的数字代表几率，比如左图中的银色五菱宏光，机器识别是车的概率是0.72。

那人，那山 ，那狗，有些（大部分）领导是真的狗啊，做个人吧，求求你们了。

• YOLO算法整体来说就是把输入的图片划分为S*S格子，这里是3*3个格子。 • 当被检测的目标的中心点落入这个格子时，这个格子负责检测这个目标，如图中的人。 • 我们把这个图片输入到网络中，最后输出的尺寸也是S*S*n（n是通道数），这个输出的S*S与原输入图片S*S相对应（都是3*3）。 • 假如我们网络一共能检测20个类别的目标，那么输出的通道数n=2*（4+1）+20=30。这里的2指的是每个格子有两个标定框（论文指出的），4代表标定框的坐标信息， 1代表标定框的置信度，20是检测目标的类别数。 • 所以网络最后输出结果的尺寸是S*S*n=3*3*30。 4是什么意思嘞，代表的是啥？往下看 关于标定框 • 网络的输出是S x S x (5*B+C) 的一个 tensor(S-尺寸，B-标定框个数，C-检测类别数，5-标定框的信息)。 • 5分为4+1： • 4代表标定框的位置信息。框的中心点(x，y)，框的高宽h，w。 • 1表示每个标定框的置信度以及标定框的准确度信息。

这个Feature Map包含了哪些信息呢

绿色：表示框的信息，tx，ty中心点坐标，tw宽，th高，

淡蓝色： 置信度得分

粉色：识别出来的类别的得分，或者说是几率，从大到小排

来~look一下介个图，红色的就是一个feature map，看最左边结合上虚线到右边看，是不是就理解了

一般情况下，YOLO 不会预测边界框中心的确切坐标。它预测： • 与预测目标的网格单元左上角相关的偏移； • 使用特征图单元的维度进行归一化的偏移。 例如： 以上图为例，如果中心的预测是 (0.4, 0.7)，则中心在 13 x 13 特征图上的坐标是 (6.4, 6.7)（红色单元的左上角坐标是 (6,6)）。 但是，如果预测到的 x,y 坐标大于 1，比如 (1.2, 0.7)。那么预测的中心坐标是 (7.2, 6.7)。注意该中心在红色单元右侧的单元中。这打破了 YOLO 背后的理论，因为如果我们假设红色框负责预测目标狗，那么狗的中心必须在红色单元中，不应该在它旁边的网格单元中。 因此，为了解决这个问题，我们对输出执行 sigmoid 函数，将输出压缩到区间 0 到 1 之间，有效确保中心处于执行预测的网格单元中。 每个标定框的置信度以及标定框的准确度信息： 左边代表包含这个标定框的格子里是否有目标。有=1没有=0。 右边代表标定框的准确程度， 右边的部分是把两个标定框（一个是Ground truth，一个是预测的标定框）进行一个IOU操作，即两个标定框的交集比并集，数值越大，即标定框重合越多，越准 确。

我们可以计算出各个标定框的 类别置信度（ class-specific confidence scores/ class scores） : 表达的是该标定框中目标属于各个类别的可能性大小以及标定框匹配目标的好坏。 每个网格预测的class信息和bounding box预测的confidence信息相乘，就得到每个bounding box的class-specific confidence score。

• 其进行了二十多次卷积还有四次最大池化。其中3x3卷积用于提取特征，1x1卷积用于压缩特征，最后将图像压缩到7x7xfilter的大小，相当于将整个图像划分为7x7的网格，每个网格负责自己这一块区域的目标检测。 • 整个网络最后利用全连接层使其结果的size为(7x7x30)，其中7x7代表的是7x7的网格，30前20个代表的是预测的种类，后10代表两个预测框及其置信度(5x2)。 对每一个网格的每一个bbox执行同样操作： 7x7x2 = 98 bbox （每个bbox既有对应的class信息又有坐标信息）

得到每个bbox的class-specific confidence score以后，设置阈值，滤掉得分低的boxes，对保留的boxes进行NMS处理，就得到最终的检测结果。

排序后，不同位置的框内,概率不同:

以最大值作为bbox_max，并与比它小的非0值(bbox_cur)做比较：IOU

递归，以下一个非0 bbox_cur（0.2）作为bbox_max继续比较IOU：

最终，剩下n个框

得到每个bbox的class-specific confidence score以后，设置阈值，滤掉得分低的boxes，对保留的boxes进行NMS处理，就得到最终的检测结果。

对bb3(20×1)类别的分数，找分数对应最大类别的索引.---->class bb3(20×1)中最大的分---->score

Yolo的缺点：

• YOLO对相互靠的很近的物体（挨在一起且中点都落在同一个格子上的情况），还有很小的群体检测效果不好，这是因为一个网格中只预测了两个框，并且只属于一类。 • 测试图像中，当同一类物体出现不常见的长宽比和其他情况时泛化能力偏弱。

放个YOLO对比：

目标检测：yolov1、yolov2、yolov3的对比理解 - 第一PHP社区

拓展-SSD

不是固态硬盘！！！长江存储yyds！！！

SSD也是一个多特征层网络，其一共具有11层，前半部分结构是VGG16： 1、首先通过了多个3X3卷积层、5次步长为2的最大池化取出特征，形成了5个Block，其中第四个Block用于提取小目标（多次卷积后大目标的特征保存的更好，小目标特征会消失，需要在比较靠前的层提取小目标特征）。 2、进行一次卷积核膨胀dilate。 3、读取第七个Block7的特征。 4、分别利用1x1和3x3卷积提取特征，在3x3卷积的时候使用步长2，缩小特征数，获取第八个Block8的特征。 5、重复步骤4，获得9、10、11卷积层的特征。

总结一下

累，好累，这篇文章稀稀拉拉写了一周吧，这周感觉格外疲惫，完全不想写，只想着好好休息一下，甚至想离职了。

如果哪天我TM中了500万，直接撂挑子！QTMD的爱谁谁，同志们，千万别学我，这个思想很不好。

想要暴富，一定不要想，立马去买彩票！！！

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