目标检测之基于CNN的两阶段检测器

 由于手动设计特征的性能已经饱和，在2010到2012年之间，目标检测已经到了瓶颈，几乎没有任何的收益。在2012年，世界见证了卷积神经网络的重生。随着深度卷积网络能够学习到图像的稳定高层特征描述，一个很自然的问题是是否能够将其引入到目标检测中？R. Girshick率先打破了僵局，提出了具有CNN特征的区域（RCNN）目标检测算法。从那以后，目标检测算法开始了以惊人的速度繁荣发展。

在深度学习时代，目标检测算法可以分为两个流派：两阶段（two-stage）检测和单阶段（one-stage）检测，前者是构建了一个从粗到细的检测，而后者则是一步完成。下面将介绍目前主要的两阶段检测算法。

1. RCNN

RCNN背后的想法很简单，其开始便是通过选择性搜索进行Object Proposal（以下简称OP）的提取，然后将每个OP缩放到一个固定的尺寸的图像，并送入到CNN模型（AlexNet）在ImageNet上训练来提取特征；最后用线性的SVM分类器来预测每个区域内目标的存在，并识别目标的种类。RCNN在VOC07上取得了很大的性能上的提升，mAP从33.7%提升到了58.5%。

尽管RCNN取得了很大的进步，它的缺点也是比较明显的：在大量重复的OP上进行冗余特征的计算（超过2000个boxes），导致了极其慢的检测速度（在GPU上一张图像的检测时间为14s）。后来在同一年，SPPNet被提出，解决了这个问题。

2. SPPNet

2014年，Spatial Pyramid Pooling Network(SPPNet)网络被提出。之前的CNN模型需要一个固定大小的输入，例如AlexNet需要224*224大小的图像。SPPNet的主要贡献是引入了空间特征池化层（SPP），其能够让CNN去产生了一个固定程度的特征描述，而不用在乎感兴趣的图像或区域的大小。当用SPPNet做目标检测时，特征图将从整幅图中仅仅计算一次，然后任意区域固定长度的特征描述将会产生用于训练模型，其避免了重复性的计算卷积特征。在没有牺牲任何进度的情况下，SPPNet要比R-CNN快20多倍。

尽管SPPNet能够有效的提高检测速度，但仍有一些缺点：首先，训练是多阶段的，其次，SPPNet通过简单的忽略所有之前的层，仅仅微调了其全连接层。后来下一年，Fast RCNN被提出，解决了这些问题。

3. Fast RCNN

2015年，R. Girshick提出了Fast RCNN检测器，它是对RCNN和SPPNet的进一步提升。Fast RCNN能够在相同的配置下，同时训练检测器和bounding box回归器。在VOC07数据集上，Fast RCNN将RCNN的mAP从58.5%提升到了70.0%，同时检测速度则比RCNN快了200多倍。

尽管Fast-RCNN成功的整合了RCNN和SPPNet的优势，其检测速度仍受限于OP检测。那么，能够有一个产生OP的CNN模型？随后，Faster RCNN解决了这个问题。

4. Faster RCNN

2015年，在Fast RCNN被提出后不久，Faster RCNN检测器被提出。Faster RCNN是第一个端到端，近乎实时深度学习检测器（COCO mAP@.5=42.7%, COCO mAP@[.5,.95]=21.9%, VOC07 mAP=73.2%, VOC12 mAP=70.4%, 17fps with ZF- Net [45]）。Faster RCNN的主要贡献是Region Proposal Network(RPN)的提出，它是一个近乎无代价的region proposal(RP)。从RCNN到Faster RCNN，目标检测系统的大部分单独区块，例如OP，特征提取，bounding box回归等，已经慢慢被整合为了一个统一的端到端学习框架。

尽管Faster RCNN打破了Fast RCNN的速度瓶颈，但在随后的检测中仍有计算冗余。后来，提出了许多改进，包括RFCN和低代价的RCNN。