CV必會(huì) | 一文概覽目標(biāo)檢測(cè)基礎(chǔ)（數(shù)據(jù)集、mAP等）
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摘要：本文就目標(biāo)檢測(cè)算法的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)要綜述，方便大家學(xué)習(xí)查看。
圖片分類任務(wù)我們已經(jīng)熟悉了，就是算法對(duì)其中的對(duì)象進(jìn)行分類。而今天我們要了解構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)問(wèn)題，即目標(biāo)檢測(cè)問(wèn)題。這意味著，我們不僅要用算法判斷圖片中是不是一輛汽車，還要在圖片中標(biāo)記出它的位置，用邊框或紅色方框把汽車圈起來(lái)，這就是目標(biāo)檢測(cè)問(wèn)題。本文就目標(biāo)檢測(cè)算法的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)要綜述，方便大家學(xué)習(xí)查看。
01
網(wǎng)絡(luò)的階段之分
雙階段(two-stage)：第一級(jí)網(wǎng)絡(luò)用于候選區(qū)域提取;第二級(jí)網(wǎng)絡(luò)對(duì)提取的候選區(qū)域進(jìn)行分類和精確坐標(biāo)回歸，例如RCNN系列。
單階段(one-stage)：掘棄了候選區(qū)域提取這一步驟，只用一級(jí)網(wǎng)絡(luò)就完成了分類和回歸兩個(gè)任務(wù)，例如YOLO和SSD等。
單階段網(wǎng)絡(luò)為何不如雙階段的原因
因?yàn)橛?xùn)練中的正負(fù)例不均衡。
負(fù)例過(guò)多，正例過(guò)少，負(fù)例產(chǎn)生的損失完全淹沒(méi)了正例；
大多數(shù)負(fù)例十分容易區(qū)分，網(wǎng)絡(luò)無(wú)法學(xué)習(xí)到有用信息。如果訓(xùn)練數(shù)據(jù)中存在大量這樣的樣本，將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)難以收斂。
雙階段網(wǎng)絡(luò)如何解決訓(xùn)練中的不均衡
在RPN網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)前景置信度選擇最有可能的候選區(qū)域，從而避免大量容易區(qū)分的負(fù)例。
訓(xùn)練過(guò)程中根據(jù)交并比進(jìn)行采樣，將正負(fù)樣本比例設(shè)為1:3，防止過(guò)多負(fù)例出現(xiàn)。
02
Pascal VOC數(shù)據(jù)集
分為2007和2012兩個(gè)版本，其提供的數(shù)據(jù)集里包含了20類的物體。
PASCALVOC的主要5個(gè)任務(wù)：
①分類：對(duì)于每一個(gè)分類，判斷該分類是否在測(cè)試照片上存在（共20類）；
②檢測(cè)：檢測(cè)目標(biāo)對(duì)象在待測(cè)試圖片中的位置并給出矩形框坐標(biāo)（boundingbox）；
③分割:對(duì)于待測(cè)照片中的任何一個(gè)像素，判斷哪一個(gè)分類包含該像素（如果20個(gè)分類沒(méi)有一個(gè)包含該像素，那么該像素屬于背景）；
④人體動(dòng)作識(shí)別（在給定矩形框位置的情況下）
⑤LargeScaleRecognition（由ImageNet主辦）
導(dǎo)入圖像對(duì)應(yīng)的.xml文件，在標(biāo)注文件中的每一幅圖像的每一個(gè)目標(biāo)，對(duì)應(yīng)一個(gè)體dict
屬性'boxes'
屬性'gt_classes'
屬性'gt_overlaps'
屬性'flipped'
屬性'seg_areas'
CoCo 數(shù)據(jù)集
分為2014、2015、2017 三個(gè)版本
在annotations文件夾中對(duì)數(shù)據(jù)標(biāo)注信息進(jìn)行統(tǒng)一管理。例如，train2014的檢測(cè)與分割標(biāo)注文件為instances_train2014.json
objectinstances(目標(biāo)實(shí)例)、objectkeypoints(目標(biāo)關(guān)鍵點(diǎn))、imagecaptions(看圖說(shuō)話)三種類型的標(biāo)注
03
True positives（TP）：被正確的劃分到正例的個(gè)數(shù)，即實(shí)際為正例且被劃分為正例的實(shí)例數(shù)。
False positives（FP）：被錯(cuò)誤地劃分為正例的個(gè)數(shù)，即實(shí)際為負(fù)例但被劃分為正例的實(shí)例數(shù)。
False negatives（FN）：被錯(cuò)誤的劃分為負(fù)例的個(gè)數(shù)，即實(shí)際為正例但被劃分為負(fù)例的實(shí)例數(shù)。
True negatives（TN）：被正確的劃分為負(fù)例的個(gè)數(shù)，實(shí)際為負(fù)例且被劃分為負(fù)例的實(shí)例數(shù)。
Precision = TP/(TP+FP) = TP/所有被模型預(yù)測(cè)為正例的數(shù)據(jù)
Recall = TP/(TP+FN) = TP/所有真實(shí)類別為正例的數(shù)據(jù)
PR曲線
我們希望檢測(cè)的結(jié)果P越高越好，R也越高越好，但事實(shí)上這兩者在某些情況下是矛盾的。
所以我們需要做的是找到一種精確率與召回率之間的平衡。其中一個(gè)方法就是畫出PR曲線，然后用PR曲線下方的面積AUC（AreaunderCurve）去判斷模型的好壞。
IOU指標(biāo)
IoU是預(yù)測(cè)框與ground truth的交集和并集的比值。
對(duì)于每個(gè)類，預(yù)測(cè)框和ground truth重疊的區(qū)域是交集，而橫跨的總區(qū)域就是并集。
目標(biāo)檢測(cè)中的PR
04
通過(guò)PR曲線，我們可以得到對(duì)應(yīng)的AP值：
在2010年以前，PASCALVOC競(jìng)賽中AP是這么定義的：
首先要對(duì)模型預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行排序（即照各個(gè)預(yù)測(cè)值置信度降序排列）。
我們把recall的值從0到1劃分為11份：0、1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0。
在每個(gè)recall區(qū)間（0-0.1,0.1-0.2，2-0.3，…，0.9-1.0）上我們計(jì)算精確率的最大值，然后再計(jì)算這些精確率最大值的總和并平均，就是AP值。
從2010年之后，PASCALVOC競(jìng)賽把這11份recall點(diǎn)換成了PR曲線中的所有recall數(shù)據(jù)點(diǎn)。
對(duì)于某個(gè)recall值r，precision值取所有recall>=r中的最大值（這樣保證了p-r曲線是單調(diào)遞減的，避免曲線出現(xiàn)搖擺）這種方法叫做all-points-interpolation。這個(gè)AP值也就是PR曲線下的面積值。
具體例子：
05
采用的是IOU（用于決定是否為TP）在[0.5:0.05:0.95]計(jì)算10次AP，然后求均值的方法計(jì)算AP。
非極大值抑制
NMS算法一般是為了去掉模型預(yù)測(cè)后的多余框，其一般設(shè)有一個(gè)nms_threshold=0.5，
具體的實(shí)現(xiàn)思路如下：
1. 選取這類box中scores最大的哪一個(gè)，記為box_best，并保留它
2. 計(jì)算box_best與其余的box的IOU
3. 如果其IOU>0.5了，那么就舍棄這個(gè)box（由于可能這兩個(gè)box表示同一目標(biāo)，所以保
4. 留分?jǐn)?shù)高的哪一個(gè)）
5. 從最后剩余的boxes中，再找出最大scores的哪一個(gè)，如此循環(huán)往復(fù)
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