目标检测： You Only Look Once Unified, Real-Time Object Detection 研究

1 目标检测的定义 目标检测（Object Detection）的任务是找出图像中所有感兴趣的目标（物体），确定它们的类别和位置，是计算机视觉领域的核心问题之一。由于各类物体有不同的外观、形状和姿态，加上成像时光照、遮挡等因素的干扰，目标检测一直是计算机视觉领域最具有挑战性的问题。 目标检测任务可分为两个关键的子任务，目标定位和目标分类。首先检测图像中目标的位置（目标定位），然后给出每个目标的具体类别（目标分类）。输出结果是一个边界框（称为Bounding-box，一般形式为(x1,y1,x2,y2)，表示框的左上角坐标和右下角坐标），一个置信度分数（Confidence Score），表示边界框中是否包含检测对象的概率和各个类别的概率（首先得到类别概率，经过Softmax可得到类别标签）。 1.1 Two stage方法 目前主流的基于深度学习的目标检测算法主要分为两类：Two stage和One stage。Two stage方法将目标检测过程分为两个阶段。第一个阶段是 Region Proposal 生成阶段，主要用于生成潜在的目标候选框（Bounding-box proposals）。这个阶段通常使用卷积神经网络（CNN）从输入图像中提取特征，然后通过一些技巧（如选择性搜索）来生成候选框。第二个阶段是分类和位置精修阶段，将第一个阶段生成的候选框输入到另一个 CNN 中进行分类，并根据分类结果对候选框的位置进行微调。Two stage 方法的优点是准确度较高，缺点是速度相对较慢。 常见Tow stage目标检测算法有：R-CNN系列、SPPNet等。 1.2 One stage方法 One stage方法直接利用模型提取特征值，并利用这些特征值进行目标的分类和定位，不需要生成Region Proposal。这种方法的优点是速度快，因为省略了Region Proposal生成的过程。One stage方法的缺点是准确度相对较低，因为它没有对潜在的目标进行预先筛选。 常见的One stage目标检测算法有：YOLO系列、SSD系列和RetinaNet等。 2 常见名词解释 2.1 NMS(Non-Maximum Suppression) 目标检测模型一般会给出目标的多个预测边界框，对成百上千的预测边界框都进行调整肯定是不可行的,需要对这些结果先进行一个大体的挑选。NMS称为非极大值抑制，作用是从众多预测边界框中挑选出最具代表性的结果，这样可以加快算法效率，其主要流程如下： 设定一个置信度分数阈值，将置信度分数小于阈值的直接过滤掉 将剩下框的置信度分数从大到小排序，选中值最大的框 遍历其余的框，如果和当前框的重叠面积(IOU)大于设定的阈值（一般为0.7），就将框删除（超过设定阈值，认为两个框的里面的物体属于同一个类别） 从未处理的框中继续选一个置信度分数最大的，重复上述过程，直至所有框处理完毕 2.2 IoU(Intersection over Union) 定义了两个边界框的重叠度，当预测边界框和真实边界框差异很小时，或重叠度很大时，表示模型产生的预测边界框很准确。边界框A、B的IOU计算公式为: 2.3 mAP(mean Average Precision) mAP即均值平均精度，是评估目标检测模型效果的最重要指标，这个值介于0到1之间，且越大越好。mAP是AP(Average Precision)的平均值，那么首先需要了解AP的概念。想要了解AP的概念，还要首先了解目标检测中Precision和Recall的概念。 首先我们设置置信度阈值（Confidence Threshold）和IoU阈值（一般设置为0.5，也会衡量0.75以及0.9的mAP值）： 当一个预测边界框被认为是True Positive（TP）时，需要同时满足下面三个条件： Confidence Score > Confidence Threshold 预测类别匹配真实值(Ground truth)的类别 预测边界框的IoU大于设定的IoU阈值 不满足条件2或条件3，则认为是False Positive（FP）。当对应同一个真值有多个预测结果时，只有最高置信度分数的预测结果被认为是True Positive，其余被认为是False Positive。 Precision和Recall的概念如下图所示： Precision表示TP与预测边界框数量的比值