论文笔记：Inception Single Shot MultiBox Detector for object detection

论文笔记：Inception Single Shot MultiBox Detector for object detection

感想

这篇文章应该说是SSD的续作，它把SSD后面的几层做了调整，加入了Google的Inception的结构，为了防止梯度消失和过拟合问题，引入了残差的结构，主要在检测小目标方面取得了不错的效果，如果有开源的代码实现就好了，如果有哥们儿实现了这个版本，可以私聊，让我和大家学习一下。

1 介绍

目标检测已经研究了许多年了。自从2014年提出了R-CNN，R-CNN是基于卷积神经网络的，目标检测得到了极大的发展。随后，出现了很多基于R-CNN的改进方法，例如Spp-net, fast R-CNN, faster R-CNN和R-FCN，这些方法取得了高准确率，但是他们的网络结构相对复杂。

为了进行加速，研究者提出了基于单个神经网络的方法，它直接预测边界框而没有进行区域提议（region proposals）。YOLO是一个基于回归的方法，它返回许多目标的边界，然后直接赋予他们识别置信度。由于它重定义了网络的结构，在在GPU上可以实现实时的目标检测处理。可是，这个方法有着不精确定位的问题。WeiLiu等人提出了SSD（Single Shot Multi-Box Detector）的方法，它是基于Faster R-CNN的Anchor的方法。它使用了传统的分类网络VGG,并且引入了额外的几层作为特征提取层。额外几层比例的改变是明显的，于是他可以检测多比例的目标（multi-scale objects）。可是，在检测小目标的方面，它的表现不是非常满意。 为了解决上述提到的SSD的问题，我们提出了一个改进的SSD方法，叫做I-SSD。受GoogleNet 的Inception block和深度残差网络的启发，我们重新设计了SSD的网络结构，他在定位方面更准确。据了解，当网络越深，它的抽象特征的能力就变得更强，但他也会带来一些训练的问题，例如梯度消失和过拟合。考虑到性能和速度的折衷，我们在VGG后面的额外层引入了Inception结构，增加卷积核的类型。因而，接收域的范围得到了拓展，这增加了模型对小目标的敏感性，并且不会丢失大目标。

图1显示的是Inception的构造块（Inception building block）的结构。另外，我们提出了一个改进的非最大抑制方法（improved non-maximum suppression method）。

2 贡献

1.     我们在SSD的结构中引入了Inception building block来提升它的性能表现，在不增加其复杂度的情况下，它能够捕获更多的信息。

2.     我们改进了非最大抑制方法，计算边界框的权重均值来考虑作为相同的目标来产生最后的输出。

3 算法

3.1 Inception SSD

和传统的方法相比，深度神经网络有一个更复杂的模型结构，它用大量的数据去获取相对较高的性能。大体上，我们可以通过增加其深度和宽度来提升网络的性能。可是，这会导致参数的增多，参数一多，计算量就会增加，产生过拟合。

Inception的主要思想就是使用稠密组件来近似最优化局部稀疏结构（optimal local sparse structure）。Inception结构不尽能利用稠密矩阵的良好性能，也会保留网络的稀疏性，GoogLeNet Inception v1的观点是，解决两个问题（参数增加引起的）的基本方法是把全连接层或者半连接层转换成稀疏的链接（sparse links）。因此，我们相信Inception 块在不增加网络复杂度的情况下能够捕获更多的信息。

如上图，SSD使用VGG网络作为基底，增加了额外层（extra layers）去捕获目标，额外层的SSD仅仅使用一种类型的卷积核，即3*3的卷积核。通过卷积操作，额外层的特征图会产生目标的位置偏移和置信度。在目标检测中，大的卷积核倾向于捕获大的目标，小的接收域可以定位小目标。因此，顶部的特征图可能丢失目标的细节。因此，我们修改SSD少数几层,把这几层替换为Inception块。

这里，不同大小的卷积核是堆叠的，它们有不同的接受域。特别地，我们堆叠1*1卷积层，3*3的卷积层，5*5的卷积层，代替原来的3*3的卷积层。5*5的卷积层用了一串两个3*3的卷积层代替。这样，我们可以获得更多的目标细节。我们减少了Inceptionblock上每层的特征图的数量，使得与原来的特征图的总数保持一致。为了能反应不同比例的接受域，我们对每种类型的卷积（conv1x1,conv3x3,conv5x5）的输出赋予不同的权重，权重w={1,2,1}。我们对3*3的卷积层设置w=2，为其它得卷积层赋予权重w=1，我们对Inception 块的每一个卷积层使用BN，使用两个1x1的卷积层在顶部。我们修改后的Inception块如图3.

我们用Inception块替换了conv6,conv7, conv8，每一层都用三个卷积塔（three convolutional towers）来替换，我们使用conv4_3, fc7,conv6_2res,conv7_2_res,conv8_2_res和conv9_2层作为目标检测的特征提取层。这是，随着网络变得更深，网络变得很难收敛。为了克服这个问题，我们在额外成引入了残差的结构，我们把输入和conv6_2_res层的输出拼接起来作为conv7_1的输入。

3.2 边界框选择方法

SSD方法是基于一个前馈卷积网络的，后面接一个非最大抑制（non-maximum suppression）步骤去产生最终的检测。当IoU的值高于一个阈值的时候，一组边界框（bounding boxes，b-boxes）就被认为是相同的目标。让B表示为b-boxes集合, Ci表示第i个b-boxes的置信度，非最大抑制可以表示为：

其中，box代表有着最高置信度的b-box，我们选择这些boxes作为最后的输出。可是，可能非最大检测结果包含特征的最大值，直接忽略非最大检测结果是不合适的。

设想一下，所有的b-boxes来自于同一个目标，我们通过考虑非最大的结果来最佳的利用目标信息，而不是简单的保留有最高置信度的b-boxes。因此，我们设想了一个新的b-box 选择方法，叫做Non-Maximum Weighting(NMW)：

其中，n是b-boxes的重量，iou(B_i,B_(arg  max┬i⁡〖C_i 〗 ))是第i个b-box的IoU和具有最大置信度的b-box, w是每个b-box的权重。 IoU这里解释一下：在目标检测的评价体系中，有一个参数叫做 IoU ，简单来讲就是模型产生的目标窗口和原来标记窗口的交叠率。具体我们可以简单的理解为： 即检测结果(DetectionResult)与 Ground Truth 的交集比上它们的并集，即为检测的准确率 IoU :

4 实验

我们在两个数据集上做了实验，包括PASCAL VOC2007和VOC2012，以及我们搜集的户外目标检测（Outdoor ObjectDetection，OOD）数据集。我们使用Caffe去创建网络，在NVIDIA Telsa K20c GPU上训练模型。至于网络的初始化，我们使用了ILSVRCCLS-LOC数据集上预训练VGG16的参数,对于Inception创建块（Inception building block）使用了“xavier”方法。在所有的实验中，我们使用SGD，初始的学习率为0.005，batch size设置的为32.我们设置的输入分辨率为300*300.

这里解释一下xavier：“Xavier”初始化方法是一种很有效的神经网络初始化方法，方法来源于2010年的一篇论文, 为了使得网络中信息更好的流动，每一层输出的方差应该尽量相等。具体初始化公式如下：

其中nj代表第j层的的大小（第j层权重W的列数），nj+1代表第j+1层的大小。

4.1. PASCAL VOC dataset

PASCAL VOC数据集包含16551张trainval 图片（PASCAL VOC2007 trainval, VOC2012trainval and test)）和4952张测试图片（VOC2007test），20个类别。为了证明算法的有效性，我们使用了和SSD算法一样的训练策略，首先，模型的学习率为0.001，迭代次数为80000次，之后继续训练 20 000次，学习率为0.0001，又以学习率0.000 01迭代20 000次。

表1显示了我们实验方法的mAPs，使用的是PASCAL VOC2007数据集，Fast R-CNN使用Selective Search去产生提议，把整张图片和提议作为VGG16的输入用于识别和回归。Faster R-CNN使用一个更高效的区域提议算法，叫做RPN网络。Fast和Faster R-CNN都使用分别率为1000*600的图片为输入图片。而I-SSD和SSD使用一个单个网络，输入的大小为300*300.

这些算法的结果显示，I-SSD在18个类别的上取得了最高的分数。尤其，对于bottle, chair, COW, table, mbike, sofa和train，效果提升明显。

上图，我们列举了SSD的recall,当IoU是0.5的时候，I-SSD的recall是72.8%，而SSD只有71.0%。随着IoU的增加，I-SSD的recall比SSD的相对高一点。

上图是I-SSD和SSD在VOC 2007测试集上的样例，不同颜色的框框代表不同的类别，置信阈值为0.6，第（a）列显示的是I-SSD的检测结果，第（b）列显示的是SSD的检测结果。I-SSD在小目标的识别上具有很强的能力，另外，我们的模型测试速度仍然很快，在Tesla k20c GPU上是16FPS, SSD是17FPS.如表2.

4.2 户外目标检测数据集

OOD数据集是为我们的无人飞行器项目（unmannedvehicles project）建造的，无人飞行器应当有能力自动避免树，汽车，石头，楼梯和导入上的人，我们从三个源上筹集图片，即真实世界照片，PASCAL VOC数据集和互联网图片。总共有12338张照片，包含5个类别（tree, people, car, stone, stair）,我们选择图片的1/10作为测试集合。

在这个实验中，我们首先用的学习率迭代80 000次，随后以的学习率迭代20000次。

表3的结果显示，I-SSD在每一个类别上的精度都超过了SSD.

图6为OOD的数据集的一些样本。

上图（b）显示了在OOD数据集上的recall，当I0U是0.5的时候，I-SSD的recall是71.8%，当IoU增加的时候，I-SSD的recall比SSD相对高一点，I-SSD的精度更高，因为它使用了更多类型的卷积核，这些卷积核包含更多的目标信息。仍然，I-SSD在这些数据集上能够达到实时，结果见上表2。

5 参考文献

[1] 检测评价函数intersection-over-union （ IOU ）.

[2] ChengchengNing, Huajun Zhou, Yan Song, Jinhui Tang: Inception Single Shot MultiBoxDetector for object detection. ICME Workshops 2017: 549-554

[3] XavierGlorot, Yoshua Bengio: Understanding the difficulty of training deep feedforwardneural networks. AISTATS 2010: 249-256

[4] 深度学习——Xavier初始化方法​

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