（RegionProposal Network)RPN网络结构及详解[通俗易懂]

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

RPN(RegionProposal Network)区域生成网络 

Faster-RCNN的核心。在这里整理。

1.anchors。

特征可以看做一个尺度51*39的256通道图像，对于该图像的每一个位置，考虑9个可能的候选窗口：三种面积{128,256,512}×{128,256,512}×三种比例{1:1,1:2,2:1}{1:1,1:2,2:1}。这些候选窗口称为anchors。下图示出51*39个anchor中心，以及9种anchor示例。 

{1282,2562,5122}×{1282,2562,5122}×三种比例{1:1,1:2,2:1}{1:1,1:2,2:1}。这些候选窗口称为anchors。下图示出51*39个anchor中心，以及9种anchor示例。 

2.SOFTMAX的两支

 计算每个像素256-d的9个尺度下的值，得到9个anchor，我们给每个anchor分配一个二进制的标签（前景背景）。我们分配正标签前景给两类anchor：1）与某个ground truth（GT）包围盒有最高的IoU重叠的anchor（也许不到0.7），2）与任意GT包围盒有大于0.7的IoU交叠的anchor。注意到一个GT包围盒可能分配正标签给多个anchor。我们分配负标签（背景）给与所有GT包围盒的IoU比率都低于0.3的anchor。非正非负的anchor对训练目标没有任何作用，由此输出维度为（2*9）18，一共18维。

假设在conv5 feature map中每个点上有k个anchor（默认k=9），而每个anhcor要分foreground和background，所以每个点由256d feature转化为cls=2k scores；而每个anchor都有[x, y, w, h]对应4个偏移量，所以reg=4k coordinates

补充一点，全部anchors拿去训练太多了，训练程序会在合适的anchors中随机选取128个postive anchors+128个negative anchors进行训练。

——————————————————-分割线——————————————————————-

以上是传统的RPN，下面是Faster R-CNN 的RPN部分。

3.bounding box regression

前2.）中已经计算出foreground anchors，使用bounding box regression回归得到预设anchor-box到ground-truth-box之间的变换参数，即平移（dx和dy）和伸缩参数（dw和dh），由此得到初步确定proposal。

如图9所示绿色框为飞机的Ground Truth(GT)，红色为提取的foreground anchors，那么即便红色的框被分类器识别为飞机，但是由于红色的框定位不准，这张图相当于没有正确的检测出飞机。所以我们希望采用一种方法对红色的框进行微调，使得foreground anchors和GT更加接近。

图9

缩进对于窗口一般使用四维向量(x, y, w, h)表示，分别表示窗口的中心点坐标和宽高。对于图 10，红色的框A代表原始的Foreground Anchors，绿色的框G代表目标的GT，我们的目标是寻找一种关系，使得输入原始的anchor A经过映射得到一个跟真实窗口G更接近的回归窗口G’，即：给定A=(Ax, Ay, Aw, Ah)，寻找一种映射f，使得f(Ax, Ay, Aw, Ah)=(G’x, G’y, G’w, G’h)，其中(G’x, G’y, G’w, G’h)≈(Gx, Gy, Gw, Gh)。

图10

那么经过何种变换才能从图6中的A变为G’呢？ 比较简单的思路就是:

缩进 1. 先做平移

缩进 2. 再做缩放

缩进观察上面4个公式发现，需要学习的是dx(A)，dy(A)，dw(A)，dh(A)这四个变换。当输入的anchor与GT相差较小时，可以认为这种变换是一种线性变换， 那么就可以用线性回归来建模对窗口进行微调（注意，只有当anchors和GT比较接近时，才能使用线性回归模型，否则就是复杂的非线性问题了）。对应于Faster RCNN原文，平移量(tx, ty)与尺度因子(tw, th)如下：

（后两个公式写错了，是tw,th）

缩进接下来的问题就是如何通过线性回归获得dx(A)，dy(A)，dw(A)，dh(A)了。线性回归就是给定输入的特征向量X, 学习一组参数W, 使得经过线性回归后的值跟真实值Y（即GT）非常接近，即Y=WX。对于该问题，输入X是一张经过卷积获得的feature map，定义为Φ；同时还有训练传入的GT，即(tx, ty, tw, th)。输出是dx(A)，dy(A)，dw(A)，dh(A)四个变换。那么目标函数可以表示为：

其中Φ(A)是对应anchor的feature map组成的特征向量，w是需要学习的参数，d(A)是得到的预测值（*表示 x，y，w，h，也就是每一个变换对应一个上述目标函数）。为了让预测值(tx, ty, tw, th)与真实值最小，得到损失函数：

函数优化目标为：

Boundingbox regression原理http://blog.csdn.net/elaine_bao/article/details/60469036

4.将预proposal利用feat_stride和im_info将anchors映射回原图，判断预proposal是否大范围超过边界，剔除严重超出边界的。

按照softmax score进行从大到小排序，提取前2000个预proposal，对这个2000个进行NMS(非极大值抑制)，将得到的再次进行排序，输出300个proposal。

NMS（非极大值抑制）

由于锚点经常重叠，因此建议最终也会在同一个目标上重叠。为了解决重复建议的问题，我们使用一个简单的算法，称为非极大抑制（NMS）。NMS 获取按照分数排序的建议列表并对已排序的列表进行迭代，丢弃那些 IoU 值大于某个预定义阈值的建议，并提出一个具有更高分数的建议。总之，抑制的过程是一个迭代-遍历-消除的过程。如下图所示：

• 将所有候选框的得分进行排序，选中最高分及其所对应的BB；

图10

• 遍历其余的框，如果它和当前最高得分框的重叠面积大于一定的阈值，我们将其删除。

图11

• 从没有处理的框中继续选择一个得分最高的，重复上述过程。

框架流程：from:https://blog.csdn.net/zjucor/article/details/78232024

我的这个可以看到具体数据流动情况。

layer{
	name:"data"
    top:"data"
    type:"Input"
    input_param{
    	shape{ dim: 1 dim: 3 dim: 224 dim: 224}
    }
}
#========= conv1-conv5 ============

layer {
	name: "conv1"
	type: "Convolution"
	bottom: "data"
	top: "conv1" 
	param { lr_mult: 1.0 }
	param { lr_mult: 2.0 }
	convolution_param {
		num_output: 96
		kernel_size: 7
		pad: 3  
		stride: 2
	}
}
layer {
	name: "relu1"
	type: "ReLU"
	bottom: "conv1"
	top: "conv1"
}
layer {
	name: "norm1"
	type: "LRN"
	bottom: "conv1"
	top: "norm1" 
	lrn_param {
		local_size: 3
		alpha: 0.00005
		beta: 0.75
		norm_region: WITHIN_CHANNEL
    engine: CAFFE
	}
}
layer {
	name: "pool1"
	type: "Pooling"
	bottom: "norm1"
	top: "pool1"
	pooling_param {
		kernel_size: 3
		stride: 2
		pad: 1
		pool: MAX
	}
}
layer {
	name: "conv2"
	type: "Convolution"
	bottom: "pool1"
	top: "conv2"
	param { lr_mult: 1.0 }
	param { lr_mult: 2.0 }
	convolution_param {
		num_output: 256
		kernel_size: 5
		pad: 2
		stride: 2
	}
}
layer {
	name: "relu2"
	type: "ReLU"
	bottom: "conv2"
	top: "conv2"
}
layer {
	name: "norm2"
	type: "LRN"
	bottom: "conv2"
	top: "norm2"
	lrn_param {
		local_size: 3
		alpha: 0.00005
		beta: 0.75
		norm_region: WITHIN_CHANNEL
    engine: CAFFE
	}
}
layer {
	name: "pool2"
	type: "Pooling"
	bottom: "norm2"
	top: "pool2"
	pooling_param {
		kernel_size: 3
		stride: 2
		pad: 1
		pool: MAX
	}
}
layer {
	name: "conv3"
	type: "Convolution"
	bottom: "pool2"
	top: "conv3"
	param { lr_mult: 1.0 }
	param { lr_mult: 2.0 }
	convolution_param {
		num_output: 384
		kernel_size: 3
		pad: 1
		stride: 1
	}
}
layer {
	name: "relu3"
	type: "ReLU"
	bottom: "conv3"
	top: "conv3"
}
layer {
	name: "conv4"
	type: "Convolution"
	bottom: "conv3"
	top: "conv4"
	param { lr_mult: 1.0 }
	param { lr_mult: 2.0 }
	convolution_param {
		num_output: 384
		kernel_size: 3
		pad: 1
		stride: 1
	}
}
layer {
	name: "relu4"
	type: "ReLU"
	bottom: "conv4"
	top: "conv4"
}
layer {
	name: "conv5"
	type: "Convolution"
	bottom: "conv4"
	top: "conv5"
	param { lr_mult: 1.0 }
	param { lr_mult: 2.0 }
	convolution_param {
		num_output: 256
		kernel_size: 3
		pad: 1
		stride: 1
	}
}
layer {
	name: "relu5"
	type: "ReLU"
	bottom: "conv5"
	top: "conv5"
}


layer {
  name: "rpn_conv1"
  type: "Convolution"
  bottom: "conv5"
  top: "rpn_conv1"
  param { lr_mult: 1.0 }
  param { lr_mult: 2.0 }
  convolution_param {
    num_output: 256
    kernel_size: 3 pad: 1 stride: 1
    weight_filler { type: "gaussian" std: 0.01 }
    bias_filler { type: "constant" value: 0 }
  }
}
layer {
  name: "rpn_relu1"
  type: "ReLU"
  bottom: "rpn_conv1"
  top: "rpn_conv1"
}
layer {
  name: "rpn_cls_score"
  type: "Convolution"
  bottom: "rpn_conv1"
  top: "rpn_cls_score"
  param { lr_mult: 1.0 }
  param { lr_mult: 2.0 }
  convolution_param {
    num_output: 18   
    kernel_size: 1 pad: 0 stride: 1 
    weight_filler { type: "gaussian" std: 0.01 }
    bias_filler { type: "constant" value: 0 }
  }
}
layer {
  name: "rpn_bbox_pred"
  type: "Convolution"
  bottom: "rpn_conv1"
  top: "rpn_bbox_pred"
  param { lr_mult: 1.0 }
  param { lr_mult: 2.0 }
  convolution_param {
    num_output: 36  
    kernel_size: 1 pad: 0 stride: 1
    weight_filler { type: "gaussian" std: 0.01 }
    bias_filler { type: "constant" value: 0 }
  }
}
layer {
   bottom: "rpn_cls_score"
   top: "rpn_cls_score_reshape" 
   name: "rpn_cls_score_reshape"
   type: "Reshape"
   reshape_param { shape { dim: 0 dim: 2 dim: -1 dim: 0 } }
}
layer {
  name: 'rpn-data'
  type: 'Python'
  bottom: 'rpn_cls_score'
  bottom: 'gt_boxes'
  bottom: 'im_info'
  bottom: 'data'
  top: 'rpn_labels'
  top: 'rpn_bbox_targets'
  top: 'rpn_bbox_inside_weights'
  top: 'rpn_bbox_outside_weights'
  python_param {
    module: 'rpn.anchor_target_layer'
    layer: 'AnchorTargetLayer'
    param_str: "'feat_stride': 16"
  }
}
layer {
  name: "rpn_loss_cls"
  type: "SoftmaxWithLoss" 
  bottom: "rpn_cls_score_reshape"
  bottom: "rpn_labels"
  propagate_down: 1
  propagate_down: 0
  top: "rpn_cls_loss"
  loss_weight: 1
  loss_param {
    ignore_label: -1
    normalize: true
  }
}
layer {
  name: "rpn_loss_bbox"
  type: "SmoothL1Loss" 
  bottom: "rpn_bbox_pred"
  bottom: "rpn_bbox_targets"
  bottom: "rpn_bbox_inside_weights"
  bottom: "rpn_bbox_outside_weights"
  top: "rpn_loss_bbox"
  loss_weight: 1
  smooth_l1_loss_param { sigma: 3.0 }
}


layer {
  name: "dummy_roi_pool_conv5"
  type: "DummyData"
  top: "dummy_roi_pool_conv5"
  dummy_data_param {
    shape { dim: 1 dim: 9216 }
    data_filler { type: "gaussian" std: 0.01 }
  }
}
layer {
  name: "fc6"
  type: "InnerProduct"
  bottom: "dummy_roi_pool_conv5"
  top: "fc6"
  param { lr_mult: 0 decay_mult: 0 }
  param { lr_mult: 0 decay_mult: 0 }
  inner_product_param {
    num_output: 4096
  }
}
layer {
  name: "relu6"
  type: "ReLU"
  bottom: "fc6"
  top: "fc6"
}
layer {
  name: "fc7"
  type: "InnerProduct"
  bottom: "fc6"
  top: "fc7"
  param { lr_mult: 0 decay_mult: 0 }
  param { lr_mult: 0 decay_mult: 0 }
  inner_product_param {
    num_output: 4096
  }
}
layer {
  name: "silence_fc7"
  type: "Silence"
  bottom: "fc7"
}

参考文献：

https://blog.csdn.net/ying86615791/article/details/72788414

https://blog.csdn.net/zjucor/article/details/78232024

https://blog.csdn.net/WZZ18191171661/article/details/79439212