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https://arxiv.org/pdf/1504.08083.pdf
先验知识：what is SPP/SPP-Net
在最后一个卷积层的顶部添加了一个SPP层。 SPP层汇集功能并生成固定长度输出，然后将其输入完全连接的层（或其他分类器）。换句话说，我们在网络层次结构的更深层阶段（卷积层和完全连接层之间）执行一些信息“聚合”，以避免在开始时需要裁剪或变形。
SPP-net不仅可以从任意大小的图像/窗口生成用于测试的表示，而且还允许我们在训练期间提供具有不同大小或比例的图像。使用可变尺寸图像进行训练可以增加尺度不变性并减少过度使用。我们开发了一种简单的多尺寸训练方法。对于单个网络接受可变输入大小，我们通过共享所有参数的多个网络来近似它，而使用固定输入大小训练这些网络中的每一个。在每个epoch，我们使用给定的输入大小训练网络，并切换到下一个时期的另一个输入大小。实验表明，这种多尺寸训练与传统的单一训练融合，可以提高测试的准确性。
论文翻译
Abstract
本文提出了一种快速的基于区域的卷积网络方法（fast R-CNN）用于目标检测。Fast R-CNN建立在以前使用的深卷积网络有效地分类目标的成果上。相比于之前的成果，Fast R-CNN采用了多项创新提高训练和测试速度来提高检测精度。Fast R-CNN训练非常深的VGG16网络比R-CNN快9倍，测试时间快213倍，并在PASCAL VOC上得到更高的精度。与SPPnet相比，fast R-CNN训练VGG16网络比他快3倍，测试速度快10倍，并且更准确。Fast R-CNN的Python和C ++（使用Caffe）实现以MIT开源许可证发布在：https://github.com/rbgirshick/fast-rcnn。
1.Introduction
最近，深度卷积网络12已经显著提高了图像分类1和目标检测34的准确性。与图像分类相比，目标检测是一个更具挑战性的任务，需要更复杂的方法来解决。由于这种复杂性，当前的方法（例如，3546）采用多级流水线的方式训练模型，既慢且精度不高。
复杂性的产生是因为检测需要目标的精确定位，这就导致两个主要的难点。首先，必须处理大量候选目标位置（通常称为“提案”）。 第二，这些候选框仅提供粗略定位，其必须被精细化以实现精确定位。 这些问题的解决方案经常会影响速度，准确性或简单性。
在本文中，我们简化了最先进的基于卷积网络的目标检测器的训练过程35。我们提出一个单阶段训练算法，联合学习候选框分类和修正他们的空间位置。
所得到的方法用来训练非常深的检测网络（例如VGG16） 比R-CNN快9倍，比SPPnet快3倍。在运行时，检测网络在PASCAL VOC 2012数据集上实现最高准确度，其中mAP为66％（R-CNN为62％），每张图像处理时间为0.3秒，不包括候选框的生成（所有的时间都是使用一个超频到875MHz的Nvidia K40 GPU测试的）。
1.1.R-CNN and SPPnet
基于区域的卷积网络方法（RCNN）通过使用深度卷积网络来分类目标候选框，获得了很高的目标检测精度。然而，R-CNN具有显着的缺点：
1）训练过程是多级流水线。R-CNN首先使用目标候选框对卷积神经网络使用log损失进行微调。然后，它将卷积神经网络得到的特征送入SVM。 这些SVM作为目标检测器，替代通过微调学习的softmax分类器。 在第三个训练阶段，学习检测框回归。
2）训练在时间和空间上是的开销很大。对于SVM和检测框回归训练，从每个图像中的每个目标候选框提取特征，并写入磁盘。对于非常深的网络，如VGG16，这个过程在单个GPU上需要2.5天（VOC07 trainval上的5k个图像）。这些特征需要数百GB的存储空间。
3）目标检测速度很慢。在测试时，从每个测试图像中的每个目标候选框提取特征。用VGG16网络检测目标每个图像需要47秒（在GPU上）。
R-CNN很慢是因为它为每个目标候选框进行卷积神经网络正向传递，而不共享计算。SPPnet5通过共享计算加速R-CNN。SPPnet5计算整个输入图像的卷积特征图，然后使用从共享特征图提取的特征向量来对每个候选框进行分类。通过最大池化将候选框内的特征图转化为固定大小的输出（例如，6X6）来提取针对候选框的特征。多个输出被池化，然后连接成空间金字塔池7。SPPnet在测试时将R-CNN加速10到100倍。由于更快的候选框特征提取训练时间也减少3倍。
SPP网络也有显著的缺点。像R-CNN一样，训练过程是一个多级流水线，涉及提取特征，使用log损失对网络进行微调，训练SVM分类器，最后拟合检测框回归。特征也写入磁盘。但与R-CNN不同，在5中提出的微调算法不能更新在空间金字塔池之前的卷积层。不出所料，这种限制（固定的卷积层）限制了深层网络的精度。
1.2.Contributions
我们提出一种新的训练算法，修正R-CNN和SPPnet的缺点，同时提高其速度和准确性。因为它能比较快地进行训练和测试，我们称之为Fast R-CNN。Fast RCNN方法有以下几个优点：
1）比R-CNN和SPPnet具有更高的目标检测精度（mAP）。
2）训练是使用多任务损失的单阶段训练。
3）训练可以更新所有网络层参数。
4）不需要磁盘空间缓存特征。
Fast R-CNN使用Python和C++(Caffe8)语言编写，以MIT开源许可证发布在：https://github.com/rbgirshick/fast-rcnn。
2.FastR-CNN architecture and training
Fast R-CNN的架构如下图（图1）所示：
Fast R-CNN网络将整个图像和一组候选框作为输入。网络首先使用几个卷积层（conv）和最大池化层来处理整个图像，以产生卷积特征图。然后，对于每个候选框，RoI池化层从特征图中提取固定长度的特征向量。每个特征向量被送入一系列全连接（fc）层中，其最终分支成两个同级输出层 ：一个输出K个类别加上1个背景类别的Softmax概率估计，另一个为K个类别的每一个类别输出四个实数值。每组4个值表示K个类别的一个类别的检测框位置的修正。
2.1.The RoIpooling layer
RoI池化层使用最大池化将任何有效的RoI内的特征转换成具有H×W（例如，7×7）的固定空间范围的小特征图，其中H和W是层的超参数，独立于任何特定的RoI。在本文中，RoI是卷积特征图中的一个矩形窗口。 每个RoI由指定其左上角(r,c)(r,c)及其高度和宽度(h,w)(h,w)的四元组(r,c,h,w)(r,c,h,w)定义。
RCNN的四元组是中心点和长宽
RoI最大池化通过将大小为h×w的RoI窗口分割成H×W个网格，子窗口大小约为h/H×w/W，然后对每个子窗口执行最大池化，并将输出合并到相应的输出网格单元中。同标准的最大池化一样，池化操作独立应用于每个特征图通道。RoI层只是SPPnets中使用的空间金字塔池层的特殊情况，其只有一个金字塔层。 我们使用中给出的池化子窗口计算方法。
2.2.Initializing from pre-trained networks
我们实验了三个预训练的ImageNet9网络，每个网络有五个最大池化层和五到十三个卷积层（网络详细信息，请参见实验配置）。当预训练网络初始化fast R-CNN网络时，其经历三个变换。
首先，最后的最大池化层由RoI池层代替，其将H和W设置为与网络的第一个全连接层兼容的配置（例如，对于VGG16，H=W=7）。
然后，网络的最后一格全连接层和Softmax（其被训练用于1000类ImageNet分类）被替换为前面描述的两个同级层（全连接层和K+1个类别的Softmax以及类别特定的检测框回归）。
最后，网络被修改为采用两个数据输入：图像的列表和这些图像中的RoI的列表。
2.3.Fine-tuning for detection
用反向传播训练所有网络权重是Fast R-CNN的重要能力。首先，让我们阐明为什么SPPnet无法更新低于空间金字塔池化层的权重。
根本原因是当每个训练样本（即RoI）来自不同的图像时，通过SPP层的反向传播是非常低效的，这正是训练R-CNN和SPPnet网络的方法。低效的部分是因为每个RoI可能具有非常大的感受野，通常跨越整个输入图像。由于正向传播必须处理整个感受野，训练输入很大（通常是整个图像）。
我们提出了一种更有效的训练方法，利用训练期间的特征共享。在Fast RCNN网络训练中，随机梯度下降（SGD）的小批量是被分层采样的，首先采样N个图像，然后从每个图像采样R/N个 RoI。关键的是，来自同一图像的RoI在向前和向后传播中共享计算和内存。减小N，就减少了小批量的计算。例如，当N=2和R=128时，得到的训练方案比从128幅不同的图采样一个RoI（即R-CNN和SPPnet的策略）快64倍。
这个策略的一个令人担心的问题是它可能导致训练收敛变慢，因为来自相同图像的RoI是相关的。这个问题似乎在实际情况下并不存在，当N=2和R=128时，我们使用比R-CNN更少的SGD迭代就获得了良好的结果。
除了分层采样，Fast R-CNN使用了一个精细的训练过程，在微调阶段联合优化Softmax分类器和检测框回归，而不是分别在三个独立的阶段训练softmax分类器，SVM和回归器3[^ 11]。 下面将详细描述该过程（损失，小批量采样策略，通过RoI池化层的反向传播和SGD超参数）。
多任务损失。Fast R-CNN网络具有两个同级输出层。 第一个输出在K+1个类别上的离散概率分布（每个RoI），p=(p0,…,pK)。 通常，通过全连接层的K+1个输出上的Softmax来计算p。第二个输出层输出检测框回归偏移，tk=(tkx,tky,tkw,tkh)，对于由k索引的K个类别中的每一个。 我们使用中给出的tk的参数化，其中tk指定相对于候选框的尺度不变转换和对数空间高度/宽度移位。
每个训练的RoI用类真值u和检测框回归目标真值v标记。我们对每个标记的RoI使用多任务损失L以联合训练分类和检测框回归：
其中Lcls(p,u)=−logpu， 是类真值u的log损失。
对于类真值uu，第二个损失Lloc是定义在检测框回归目标真值元组u,v=(vx,vy,vw,vh)和预测元组tu=(tux,tuy,tuw,tuh)上的损失。 Iverson括号指示函数[u≥1]]当u≥1的时候为值1，否则为0。按照惯例，背景类标记为u=0。对于背景RoI，没有检测框真值的概念，因此Lloc被忽略。对于检测框回归，我们使用损失
是鲁棒的L1L1损失，对于异常值比在R-CNN和SPPnet中使用的L2损失更不敏感。当回归目标无界时，具有L2L2损失的训练可能需要仔细调整学习速率，以防止爆炸梯度。公式(3)消除了这种灵敏度。
公式(1)中的超参数λ控制两个任务损失之间的平衡。我们将回归目标真值vi归一化为具有零均值和单位方差。所有实验都使用λ=1。
我们注意到D.Erhan,C.Szegedy,A.Toshev,andD.Anguelov. Scalable objectdetectionusingdeepneuralnetworks. 使用相关损失来训练一个类别无关的目标候选网络。 与我们的方法不同的是倡导一个分离定位和分类的双网络系统。OverFeat4，R-CNN3和SPPnet5也训练分类器和检测框定位器，但是这些方法使用逐级训练，这对于Fast RCNN来说不是最好的选择。
小批量采样。在微调期间，每个SGD的小批量由N=2个图像构成，均匀地随机选择（如通常的做法，我们实际上迭代数据集的排列）。 我们使用大小为R=128的小批量，从每个图像采样64个RoI。 如在3中，我们从候选框中获取25％的RoI，这些候选框与检测框真值的IoU至少为0.5。 这些RoI只包括用前景对象类标记的样本，即u≥1。 剩余的RoI从候选框中采样，该候选框与检测框真值的最大IoU在区间[0.1,0.5)上5。 这些是背景样本，并用u=0标记。0.1的阈值下限似乎充当难负样本重训练的启发式算法11。 在训练期间，图像以概率0.5水平翻转。不使用其他数据增强。
通过RoI池化层的反向传播。反向传播通过RoI池化层。为了清楚起见，我们假设每个小批量(N=1)只有一个图像，扩展到N>1N>1是显而易见的，因为前向传播独立地处理所有图像。
令xi∈ℝ是到RoI池化层的第i个激活输入，并且令yrj是来自第r个RoI层的第j个输出。RoI池化层计算yrj=xi∗(r,j)，其中
。R(r,j)是输出单元yrj最大池化的子窗口中的输入的索引集合。单个xi可以被分配给几个不同的输出yrj。
RoI池化层反向传播函数通过遵循argmax switches来计算关于每个输入变量xixi的损失函数的偏导数：
换句话说，对于每个小批量RoI r和对于每个池化输出单元yrj，如果i是yrj通过最大池化选择的argmax，则将这个偏导数∂L∂yrj∂L∂yrj积累下来。在反向传播中，偏导数∂L∂yrj∂L∂yrj已经由RoI池化层顶部的层的反向传播函数计算。
SGD超参数。用于Softmax分类和检测框回归的全连接层的权重分别使用具有方差0.01和0.001的零均值高斯分布初始化。偏置初始化为0。所有层的权重学习率为1倍的全局学习率，偏置为2倍的全局学习率，全局学习率为0.001。 当对VOC07或VOC12 trainval训练时，我们运行SGD进行30k次小批量迭代，然后将学习率降低到0.0001，再训练10k次迭代。当我们训练更大的数据集，我们运行SGD更多的迭代，如下文所述。 使用0.9的动量和0.0005的参数衰减（权重和偏置）。
2.4.Scale invariance
我们探索两种实现尺度不变对象检测的方法：（1）通过“brute force”学习
BF算法，暴风算法，是普通的模式匹配算法
（2）通过使用图像金字塔。
这些策略遵循5中的两种方法。 在“brute force”方法中，在训练和测试期间以预定义的像素大小处理每个图像。网络必须直接从训练数据学习尺度不变性目标检测。
相反，多尺度方法通过图像金字塔向网络提供近似尺度不变性。 在测试时，图像金字塔用于大致缩放-规范化每个候选框。 在多尺度训练期间，我们在每次图像采样时随机采样金字塔尺度，遵循5，作为数据增强的形式。由于GPU内存限制，我们只对较小的网络进行多尺度训练。
3.FastR-CNN detection
一旦Fast R-CNN网络被微调完毕，检测相当于运行前向传播（假设候选框是预先计算的）。网络将图像（或图像金字塔，编码为图像列表）和待计算概率的R个候选框的列表作为输入。在测试的时候，R通常在2000左右，虽然我们将考虑将它变大（约45k）的情况。当使用图像金字塔时，每个RoI被缩放，使其最接近5中的224^2个像素。
从这里估计，可能和RCNN一样利用图像处理算法ss（selective search）获取的图像候选框
对于每个测试的RoI r，正向传播输出类别后验概率分布p和相对于r的预测的检测框框偏移集合（K个类别中的每一个获得其自己的精细检测框预测）。我们使用估计的概率Pr(class=k|r)≜pk为每个对象类别k分配r的检测置信度。然后，我们使用R-CNN算法的设置和对每个类别独立执行非最大抑制。
3.1.Truncated SVD for faster detection
对于整体图像分类，与卷积层相比，计算全连接层花费的时间较小。相反，为了检测，要处理的RoI的数量很大，并且接近一半的正向传递时间用于计算全连接层（参见图2）。大的全连接层容易通过用截短的SVD压缩来加速。
SVD 奇异值分解，机器学习算法，类似PCA
在这种技术中，层的u×v权重矩阵W通过SVD被近似分解为：
在这种分解中，UU是一个u×t的矩阵，包括W的前t个左奇异向量，Σt是t×t对角矩阵，其包含W的前t个奇异值，并且V是v×t矩阵，包括W的前t个右奇异向量。截断SVD将参数计数从uv减少到t(u+v)t个，如果t远小于min(u,v)，则SVD可能是重要的。 为了压缩网络，对应于W的单个全连接层由两个全连接层替代，在它们之间没有非线性。这些层中的第一层使用权重矩阵ΣtVT（没有偏置），并且第二层使用U（其中原始偏差与W相关联）。当RoI的数量大时，这种简单的压缩方法给出良好的加速。
