编者按：基于深度学习的物体检测算法可大致分为“一阶段”和“两阶段”两类。一般而言，以Faster RCNN为代表的两阶段检测器在准确度上有优势；而以SSD为代表的单阶段检测器在速度上有优势。正所谓“他山之石，可以攻玉”，本文作者提出了融合一二步法思想的RefineDet物体检测算法，在保持一步法速度的前提下，获得了二步法的精度。
1.引言
物体检测是视觉感知的第一步，也是计算机视觉的一个重要分支。物体检测的目标是用框去标出物体的位置，并给出物体的类别。目前，基于深度学习的物体检测算法大致分为两类：一步法检测器和二步法检测器。
一步法检测器在原图上铺设一系列锚点框，利用一个全卷积网络，对这些锚点框进行一次分类和一次回归，得到检测结果。而二步法检测器在原图上铺设一系列锚点框，先利用一个全卷积网络对这些锚点框进行第一次分类和第一次回归，得到候选区域，抠出每一个候选区域的特征后，再利用一个网络对候选区域进行第二次分类和第二次回归，得到最终的检测结果。
相对于一步法检测器，二步法检测器多了额外的第二步，若在相同的条件下，如输入、锚点框、机器等，一步法一般胜在高效率，而二步法有更高的精度，现在各个检测库上排名靠前的算法，基本都是二步法。代表性的二步法检测器有Faster R-CNN[1]、R-FCN[2]、FPN[3]、Cascade R-CNN[4]，其中Faster R-CNN是奠基性工作，基本所有的二步法检测算法，都是在它的基础上改进的。一步法检测器则有YOLO[5]、SSD[6]、RetinaNet[7]、CornerNet[8]，其中SSD是一步法检测器的集大成者，后续大部分的一步法工作都是基于它的。
图1 一步法和二步法检测流程的对比
二步法相对于一步法，多了后面的进一步分类和回归，这一步一般比较耗时但能显著提升精度，原因是它让二步法相对于一步法有了以下三个优势：
- 二阶段的分类：二步法中的第一步分类时，正负样本是极不平衡的，导致分类器训练困难，这也是一步法效果不如二步法的原因之一。而第二步分类时，第一步会帮第二步滤掉很多简单负样本，使得第二步分类中时正负样本比例比较平衡，即二步法可以很大程度地缓和正负样本极不平衡的问题。
- 二阶段的回归：二步法中的第一步对锚点框进行校正，然后把校正后得到的候选框送给第二步做进一步的校正。
- 二阶段的特征：在二步法中，第一步和第二步法除了共享的特征外，都有自己独有的特征，专注于自身不同难度的任务，如第一步的特征专注于二分类和初步回归，第二步的特征处理多分类和精确回归。
为了能让一步法也具备二步法的这些优势以提升检测精度，同时能够保持原有的检测速度，作者提出了RefineDet这一通用物体检测算法。能够让一步法具备二阶段特征、二阶段分类、二阶段回归，从而在保持一步法速度前提下，获得二步法的精度。
2.方法
图2 RefineDet算法的网络架构示意图
上图是RefineDet的检测框架示意图，由ARM(Anchor Refinement Module)和ODM(Object Detection Module) 模块组成，它俩由TCB(Transfer Connection Block)连接。ARM专注于二分类，为后续ODM滤掉大量的简单负样本，同时进行初级的边框校正，为后续ODM提供更好的回归起点。ODM把ARM优化过的锚点框作为输入，专注于多分类和精准的边框校正。其中ODM没有使用耗时的逐区域操作，而是直接通过TCB转换ARM特征、融合高层特征，以得到感受野丰富、细节充足、内容抽象的特征，用于进一步的分类和回归，使得一步法检测器RefineDet具备了二步法的二阶段分类、二阶段回归、二阶段特征这3个优势。
3.实验
表1 检测精度 vs. 检测速度
表1总结了著名检测算法的速度以及精度。RefineDet在保持一步法速度的同时，能够达到甚至超过二步法的精度。跟SSD相比，RefineDet算法框架多了下面一部分卷积层和反卷积层，速度还比SSD快一些原因是：
- 使用较少的anchor，如512尺度下，RefineDet共有1.6W个框，而SSD有2.5W个框。RefineDet使用较少anchor也能达到高精度的原因是二阶段回归，虽然总共预设了4个尺度（32，64，128，256）和3个比例（0.5，1，2），但是经过第一阶段的回归后，预设的anchor被极大丰富，因此用于第二阶段回归的anchor，具备丰富的尺度和比例。
- 使用较少的检测层：RefineDet在基础网络上新加了很少的卷积层，并只选了4个卷积层作为检测层。
表2 RefineDet在各个数据库上的检测精度
表2是RefineDet算法在VOC2007，VOC2012，COCO上详细的结果。由于显存的限制，只训了输入为320和512的两个模型。从这些结果中，有以下几点结论：
- 输入尺度与精度高度正相关：训练和测试的输入越大，小物体越少，精度就会越高。
- BN的问题：显存的限制会导致每张GPU显卡上图片数量不足，使得BN信息统计不稳定，从而影响检测精度，可以使用同步BN或GN来解决，以训更大尺度的模型。
- 多尺度测试很重要：由于RefineDet最大输入只有512x512，而二步法检测器有着较大的输入如1000x600或800x800。为了公平比较而使用了多尺度测试方法，以降低尺度不同的影响。
4.扩展
提出RefineDet算法后，作者在更加贴近实际应用的人脸检测任务上对其进行了扩展验证。目前人脸检测领域难度最大数据集是WIDER FACE，它总共有32203张图像，393703个人脸标注，包含尺度，姿态，遮挡，表情，化妆，光照等难点。WIDER FACE每张图像的人脸数据偏多，平均每张图12.2人脸，密集小人脸非常多，同时根据EdgeBox的检测率情况划分为三个难度等级：Easy, Medium, Hard。
图3 人脸检测算法SRN
RefineDet在处理人脸检测这一特殊任务时，并不是在所有的检测层上做二阶段分类和二阶段回归都有提升。二阶段分类用于较浅的3个检测层上有效果，原因是98.5%的锚点框关联于较浅的3个层，这些层存在正负样本不平衡的问题，二阶段分类得以发挥作用。此外，二阶段回归用于较深的3个检测层上有效果，原因是强行让较浅层利用二阶段回归去得到更准的小人脸位置，会影响更重要的分类任务，而较深的3个层则不存在这种问题，适合做二阶段回归来提升大中尺度的人脸位置。
图4 人脸检测算法ISRN
此外，目前的检测器都需要加载预训练模型，这大大限制了网络的灵活性，使得不能够对网络进行任何微小的改动。作者成功地验证了不需要预训练模型也能够成功地训出检测器后，对网络进行了改进以提升小物体的检测性能。常用的ResNet网络对小物体不大友好，因为它第一个卷积层就有一个下采样操作，紧接着的第二个池化层也有一个下采样操作，这会导致小物体的信息基本丢失。为了解决这一问题，作者对ResNet网络进行了相应的改进，以对小物体更友好，并基于RefineDet成功地从零训了一个人脸检测器，在WIDER FACE数据集上达到了较高的检测精度。
参考文献下载链接：
https://pan.baidu.com/s/1-Y-V-y5ArfJT8_JJZLsjyA
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编辑：杨茹茵
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作者简介：
张士峰，中科院自动化所2015级直博生，导师李子青研究员，研究方向为基于深度学习的物体检测，包括通用物体检测、人脸检测、行人检测。目前已发表论文16篇，其中第一作者论文11篇，包括3篇CVPR、IJCV、ICCV、ECCV、IJCAI、AAAI等。在投论文7篇，在申专利4项，担任TPAMI、TNNLS、TMM、CVPR、ICCV、ECCV等国际期刊和会议的审稿人，获CCF-CV学术新锐奖、百度奖学金、国家奖学金、唐立新奖学金、必和必拓奖学金、攀登一等奖学金、三好学生、国际人脸检测竞赛季军、最佳学生论文等荣誉。
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