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[ILSVRC] 基于OverFeat的图像分类、定位、检测

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zhwhong
2016.12.06 16:54* 字数 8431

引言

对于分类问题而言,一个常用的增加训练样本的方法是将训练样本随机移动一个小的位移,或者,等价的,在图像中随机取一些大的图像块。然后以这些图像块为输入训练分类模型。在测试阶段,可以采用滑窗的方法对每一个图像块进行分类,然后组合这些分类结果,得到一个置信度更高的类别标签。这种技巧被广泛运用于机器学习算法中,例如:瑞士一个研究组的文章:Multi-column Deep Neural Networks for Image Classification. CVPR2012.
  对于检测和定位问题,最自然(也是最常用的方法)就是采用滑窗对每一个图像块进行检测,从而确定目标物体的位置。

以上解决分类、检测和定位的方法有一个共同的地方,就是需要一个滑窗对整幅图像进行密集采样,然后处理每一个采样得到的图像块。传统的处理这些图像块的方法是一个接一个处理。但是,CNN有更便捷的做法。

相关理论

本文主要讲解来自2014年ICLR的经典图片分类、定位、物体检测overfeat算法:《OverFeat: Integrated Recognition, Localization and Detection using Convolutional Networks》,至今为止这篇paper,已然被引用了几百次,把图片分类、定位、检测一起弄,可见算法厉害之处非同一般。本文是纽约大学Yann LeCun团队中Pierre Sermanet ,David Eigen和张翔等在14年发表的一篇论文,本文改进了Alex-net,并用图像缩放和滑窗方法在test数据集上测试网络;提出了一种图像定位的方法;最后通过一个卷积网络来同时进行分类,定位和检测三个计算机视觉任务,并在ILSVRC2013中获得了很好的结果。
  开始前,先解释一下文献的OverFeat是什么意思,只有知道了这个单词,我们才能知道这篇文献想要干嘛,OverFeat说的简单一点就是特征提取算子,就相当于SIFT,HOG等这些算子一样。 Along with this paper, we release a feature extractor named “OverFeat”,这是文献对overfeat定义的原话。
  这篇文献最厉害的地方,在于充分利用了卷积神经网络的特征提取功能,它把分类过程中,提取到的特征,同时又用于定位和检测等各种任务,很厉害。只需要改变网络的最后几层,就可以实现不同的任务,而不需要从头开始训练整个网络的参数。
  其主要是把网络的第一层到第五层看做是特征提取层,然后不同的任务共享这个特征提取层。基本用了同一个网络架构模型(特征提取层相同,分类回归层根据不同任务稍作修改、训练)、同时共享基础特征。
  卷积网络的主要优势是提供end-to-end解决方案;劣势就是对于标签数据集很贪婪。所以在大的数据集上面取得了很大的突破,但是在小的数据集上面突破不是很大。ImageNet数据集上的分类图片,物体大致分布在图片中心,但是感兴趣的物体常常在尺寸和位置(以滑窗的方式)上有变化;解决这个问题的第一个想法想法就是在不同位置和不同缩放比例上应用卷积网络。但是种滑窗的可视窗口可能只包涵物体的一个部分,而不是整个物体;对于分类任务是可以接受的,但是对于定位和检测有些不适合。第二个想法就是训练一个卷积网络不仅产生类别分布,还产生一个物体位置的预测和bounding box的尺寸;第三个想法就是积累在每个位置和尺寸对应类别的置信度。在多缩放尺度下以滑窗的方式利用卷积网络用了侦测和定位很早就有人提出了,一些学者直接训练卷积网络进行预测物体的相对于滑窗的位置或者物体的姿势。还有一些学者通过基于卷积网络的图像分割来定位物体。

计算机视觉三大任务

开始讲解paper算法前,先让我们来好好学习一下计算机视觉领域中:分类、定位、检测这三者的区别。因为文献要一口气干掉这三个任务,所以先让我们需要好好区分一下这三个任务的区别:

A、图片分类:给定一张图片,为每张图片打一个标签,说出图片是什么物体,然而因为一张图片中往往有多个物体,因此我们允许你取出概率最大的5个,只要前五个概率最大的包含了我们人工标定标签(人工标定每张图片只有一个标签,只要你用5个最大概率,猜中其中一个就可以了),就说你是对的。
B、定位任务:你除了需要预测出图片的类别,你还要定位出这个物体的位置,同时规定你定位的这个物体框与正确位置差不能超过规定的阈值。
C、检测任务:给定一张图片,你把图片中的所有物体全部给我找出来(包括位置、类别)。

OK,解释完三个任务,我们接着就要正式开始学习算法了,我们先从最简单的任务开始讲起,然后讲定位,最后讲物体检测,分三大部分进行讲解。

Alexnet图片分类回顾

因为paper的网络架构方面与Alexnet基本相同,所以先让我们来好好回顾一下Alexnet的训练、测试:

(1) 训练阶段:每张训练图片256*256,然后我们随机裁剪出224*224大小的图片,作为CNN的输入进行训练。
(2) 测试阶段:输入256*256大小的图片,我们从图片的5个指定的方位(上下左右+中间)进行裁剪出5张224*224大小的图片,然后水平镜像一下再裁剪5张,这样总共有10张;然后我们把这10张裁剪图片分别送入已经训练好的CNN中,分别预测结果,最后用这10个结果的平均作为最后的输出。

overfeat这篇文献的图片分类算法,在训练阶段采用与Alexnet相同的训练方式,然而在测试阶段可是差别很大,这就是文献最大的创新点(overfeat的方法不是裁剪出10张224*224的图片进行结果预测平均,具体方法请看下面继续详细讲解)。

基础学习

开始讲解overfeat这篇文献的算法前,让我们先来学两招很重要的基础招式:FCN、offset max-pooling,等我们学完这两招,再来学overfeat这篇paper算法。

1、FCN招式学习

FCN又称全卷积神经网络,这招是现如今是图片语义分割领域的新宠(来自文献:《Fully Convolutional Networks for Semantic Segmentation》),同时也看懂overfeat这篇文献所需要学会的招式。
  我们知道对于一个各层参数结构都设计好的网络模型来说,输入的图片大小是固定的,比如Alexnet设计完毕后,网络输入图片大小就是227*227。这个时候我们如果输入一张500*500的图片,会是什么样的结果?我们现在的希望是让我们的网络可以一直前向传导,让一个已经设计完毕的网络,也可以输入任意大小的图片,这就是FCN的精髓。FCN算法灵魂:

1、把卷积层 -> 全连接层,看成是对一整张图片的卷积层运算。
2、把全连接层 -> 全连接层,看成是采用1*1大小的卷积核,进行卷积层运算。

下面用一个例子,讲解怎么让一个已经设计好的CNN模型,可以输入任意大小的图片:

如上图所示,上面图中绿色部分表示:卷积核大小。假设我们设计了一个CNN模型,输入图片大小是14*14,通过第一层卷积后我们得到10*10大小的图片,然后接着通过池化得到了5*5大小的图片。OK,关键部分来了,接着要从:5*5大小的图片-》1*1大小的图片:

(1)传统的CNN:如果从以前的角度进行理解的话,那么这个过程就是全连接层,我们会把这个5*5大小的图片,展平成为一个一维的向量,进行计算(写cnn代码的时候,这个时候经常会在这里加一个flatten函数,就是为了展平成一维向量)。
(2)FCN :FCN并不是把5*5的图片展平成一维向量,再进行计算,而是直接采用5*5的卷积核,对一整张图片进行卷积运算。

其实这两个本质上是相同的,只是角度不同,FCN把这个过程当成了对一整张特征图进行卷积,同样,后面的全连接层也是把它当做是以1*1大小的卷积核进行卷积运算。
  从上面的例子中,我们看到网络的输入是一张14*14大小的图片,这个时候加入我就用上面的网络,输入一张任意大小的图片,比如16*16大小的图片,那么会是什么样的结果?具体请看下面的示意图:

这个时候你就会发现,网络最后的输出是一张2*2大小的图片。这个时候,我们就可以发现采用FCN网络,可以输入任意大小的图片。同时需要注意的是网络最后输出的图片大小不在是一个1*1大小的图片,而是一个与输入图片大小息息相关的一张图片了。
  OK,这个时候我们回来思考一个问题,比如Alexnet网络设计完毕后,我们也用FCN的思想,把全连接层看成是卷积层运算,这个时候你就会发现如果Alexnet输入一张500*500图片的话,那么它将得到1000张10*10大小的预测分类图,这个时候我们可以简单采用对着每一张10*10大小的图片求取平均值,作为图片属于各个类别的概率值。
  其实Alexnet在测试阶段的时候,采用了对输入图片的四个角落进行裁剪,进行预测,分别得到结果,最后的结果就是类似对应于上面2*2的预测图。这个2*2的每个像素点,就类似于对应于一个角落裁剪下来的图片预测分类结果。只不过Alexnet把这4个像素点,相加在一起,求取平均值,作为该类别的概率值。
需要注意的是,一会儿overfeat就是把采用FCN的思想把全连接层看成了卷积层,让我们在网络测试阶段可以输入任意大小的图片。

2、offset max-pooling

再让我们来学习一招大招,这一招叫offset 池化。为了简单起见,我们暂时不用二维的图像作为例子,而是采用一维作为示例,来讲解池化:

如上图所示,我们在x轴上有20个神经元,如果我们选择池化size=3的非重叠池化,那么根据我们之前所学的方法应该是:对上面的20个,从1位置开始进行分组,每3个连续的神经元为一组,然后计算每组的最大值(最大池化),19、20号神经元将被丢弃,如下图所示:

我们也可以在20号神经元后面,人为的添加一个数值为0的神经元编号21,与19、20成为一组,这样可以分成7组:[1,2,3],[4,5,6],……,[16,17,18],[19,20,21],最后计算每组的最大值,这就是我们以前所学CNN中池化层的源码实现方法了。
  上面我们说到,如果我们只分6组的话,我们除了以1作为初始位置进行连续组合之外,也可以从位置2或者3开始进行组合。也就是说我们其实有3种池化组合方法:

A、△=0分组:[1,2,3],[4,5,6],……,[16,17,18];
B、△=1分组:[2,3,4],[5,6,7],……,[17,18,19];
C、△=2分组:[3,4,5],[6,7,8],……,[18,19,20];

对应图片如下:

以往的CNN中,一般我们只用了△=0,得到池化结果后,就送入了下一层。于是文献的方法是,把上面的△=0、△=1、△=2的三种组合方式的池化结果,分别送入网络的下一层。这样的话,我们网络在最后输出的时候,就会出现3种预测结果了。
  我们前面说的是一维的情况,如果是2维图片的话,那么(△x,△y)就会有9种取值情况(3*3);如果我们在做图片分类的时候,在网络的某一个池化层加入了这种offset 池化方法,然后把这9种池化结果,分别送入后面的网络层,最后我们的图片分类输出结果就可以得到9个预测结果(每个类别都可以得到9种概率值,然后我们对每个类别的9种概率,取其最大值,做为此类别的预测概率值)。
  OK,学完了上面两种招式之后,文献的算法,就是把这两种招式结合起来,形成了文献最后测试阶段的算法,接着我们就来讲讲怎么结合。

OverFeat图片分类

我们先从文献是怎么搞图片分类的开始说起,训练阶段基本变化不大,最大的区别在于网络的测试阶段。

1、paper网络架构与训练阶段

(1)网络架构

(与Hinton小组的经典论文:ImageNet Classification with Deep Convolutional Neural Networks. NIPS2012.结构一致。区别在于:a) 训练时输入大小固定,测试时用多尺度输入(具体方法见下文);b) 没有对比度归一化;c) 采用没有overlap的max pooling;d) 前面两层的feature map的个数比上述论文中多。)
  对于网络的结构,文献给出了两个版本,快速版、精确版,一个精度比较高但速度慢;另外一个精度虽然低但是速度快。

Fast模型

Input(231,231,3)→96F(11,11,3,s=4)→max-p(2,2,s=2)→256F(5,5,96,1) →max-p(2,2,2) →512F(3,3,512,1) →1024F(3,3,1024,1) →1024F(3,3,1024) →max-p(2,2,2) →3072fc→4096fc→1000softmax

Fast模型改进:

1,不使用LRN (Local Response Normalization);
2,不使用over-pooling使用普通pooling;
3,第3,4,5卷基层特征数变大,从Alex-net的384→384→256;变为512→1024→1024;
4,fc-6层神经元个数减少,从4096变为3072;
5,卷积的方式从valid卷积变为维度不变的卷积方式,所以输入变为231*231。

Accurate模型
下面是高精度版本的网络结构表相关参数:

Input(221,221,3)→96F(7,7,3,s=2)→max-p(3,3,3)→256F(7,7,96,1)→max-p(2,2,2) →512F(3,3,512,1) →512F(3,3,512,1) →1024F(3,3,1024,1) →1024F(3,3,1024,1) →max-p(3,3,3) →4096fc→4096fc→1000softmax

1,不使用LRN (Local Response Normalization);
2,不使用over-pooling使用普通pooling,更大的pooling间隔S=2或3;
3,第一个卷基层的间隔从4变为2(accurate 模型),卷积大小从11*11变为7*7;第二个卷基层filter从5*5升为7*7;
4,增加了一个第三层,是的卷积层变为6层;从Alex-net的384→384→256;变为512→512→1024→1024。

表格参数说明
  网络输入:从上面的表格,我们知道网络输入图片大小为221*221;
(其中,1-5层为feature extraction layers,为三个任务(recognition、localization和detection)共用的部分,6-9层为classifier layers。训练过程的一些参数为:min-batch的大小为128,momentum = 0.6,weight decay = 1.0e-5,weight初始化为从(μ, σ) = (0, 0.01)的随机采样,等等。)
  网络结构方面基本上和AlexNet是一样的,也是使用了ReLU激活,最大池化。不同之处在于:(a)作者没有使用局部响应归一化层;(b)然后也没有采用重叠池化的方法;(c)在第一层卷积层,stride作者是选择了2,这个与AlexNet不同(AlexNet选择的跨步是4,在网络中,如果stride选择比较大得话,虽然可以减少网络层数,提高速度,但是却会降低精度)。
  这边需要注意的是我们需要把f7这一层,看成是卷积核大小为5*5的卷积层,总之就是需要把网络看成我们前面所学的FCN模型,没有了全连接层的概念,因为在测试阶段我们可不是仅仅输入221*221这样大小的图片,我们在测试阶段要输入各种大小的图片,具体请看后面测试阶段的讲解。

两个模型参数与连接数对比:

(2)网络训练

  • 训练输入:对于每张原图片为256*256,然后进行随机裁剪为221*221的大小作为CNN输入,进行训练。
  • 优化求解参数设置:训练的min-batchs选择128,权重初始化选择高斯分布的随机初始化:

然后采用随机梯度下降法,进行优化更新,动量项参数大小选择0.6,L2权重衰减系数大小选择10-5次方。学习率一开始选择0.05,然后根据迭代次数的增加,每隔几十次的迭代后,就把学习率的大小减小一半。
  然后就是DropOut,这个只有在最后的两个全连接层,才采用dropout,dropout比率选择0.5,也就是网络的第6、7层。

2、网络测试阶段

这一步需要声明一下,网络结构在训练完后,参数的个数、结构是固定的,而这一步的算法并没有改变网络的结构,也更不肯可能去改变网络参数。
  我们知道在Alexnet的文献中,他们预测的方法是输入一张图片256*256,然后进行multi-view裁剪,也就是从图片的四个角进行裁剪,还有就是一图片的中心进行裁剪,这样可以裁剪到5张224*224的图片。然后把原图片水平翻转一下,再用同样的方式进行裁剪,又可以裁剪到5张图片。把这10张图片作为输入,分别进行预测分类,在后在softmax的最后一层,求取个各类的总概率,求取平均值。
  然而Alexnet这种预测方法存在两个问题

  1. 首先这样的裁剪方式,把图片的很多区域都给忽略了,说不定你这样的裁剪,刚好把图片物体的一部分给裁剪掉了;
  2. 另外一方面,裁剪窗口重叠存在很多冗余的计算,像上面我们要分别把10张图片送入网络,可见测试阶段的计算量还是蛮大的。

Overfeat算法:训练完上面所说的网络之后,在测试阶段,我们不再是用一张221*221大小的图片了作为网络的输入,而是用了6张大小都不相同的图片,也就是所谓的多尺度输入预测,如下表格所示:

测试阶段网络输入图片大小分别是245*245,281*317,……,461*569。
  然后当网络前向传导到layer 5的时候,就使出了前面我们所讲的FCN、offset pooling这两招相结合的招式。在这里我们以输入一张图片为例(6张图片的计算方法都相同),讲解layer 5后面的整体过程,具体流程示意图如下:

从layer-5 pre-pool到layer-5 post-pool:这一步的实现是通过池化大小为(3,3)进行池化,然后△x=0、1、2,△y=0、1、2,这样我们可以得到对于每一张特征图,我们都可以得到9幅池化结果图。以上面表格中的sacle1为例,layer-5 pre-pool大小是17*17,经过池化后,大小就是5*5,然后有3*3张结果图(不同offset得到的结果)。
  从layer-5 post-pool到classifier map(pre-reshape):我们知道在训练的时候,从卷积层到全连接层,输入的大小是4096*(5*5),然后进行全连接,得到4096*(1*1)。但是我们现在输入的是各种不同大小的图片,因此接着就采用FCN的招式,让网络继续前向传导。我们从layer-5 post-pool到第六层的时候,如果把全连接看成是卷积,那么其实这个时候卷积核的大小为5*5,因为训练的时候,layer-5 post-pool得到的结果是5*5。因此在预测分类的时候,假设layer-5 post-pool 得到的是7*9(上面表格中的scale 3),经过5*5的卷积核进行卷积后,那么它将得到(7-5+1)*(9-5+1)=3*5的输出。
  然后我们就只需要在后面把它们拉成一维向量摆放就ok了,这样在一个尺度上,我们可以得到一个C*N个预测值矩阵,每一列就表示图片属于某一类别的概率值,然后我们求取每一列的最大值,作为本尺度的每个类别的概率值。
  最后我们一共用了6种不同尺度(文献好像用了12张,另外6张是水平翻转的图片),做了预测,然后把这六种尺度结果再做一个平均,作为最最后的结果。
  OK,至此overfeat图片分类的任务就结束了,从上面过程,我们可以看到整个网络分成两部分:layer 1~5这五层我们把它称之为特征提取层;layer 6~output我们把它们称之为分类层。

定位任务

后面我们用于定位任务的时候,就把分类层(上面的layer 6~output)给重新设计一下,把分类改成回归问题,然后在各种缩放比例和view下训练回归网络来预测boundingbox;然后融合预测的各个bounding box。
  我们把用图片分类学习的特征提取层的参数固定下来,然后继续训练后面的回归层的参数,网络包含了4个输出,对应于bounding box的上左上角点和右下角点,然后损失函数采用欧式距离L2损失函数
  定位问题的模型也是一个CNN,1-5层作为特征提取层和分类问题完全一样,后面接两个全连接层,组成regressor network。训练时,前面5层的参数由classification network给定,只需要训练后面的两个全连接层。这个regressor network的输出就是一个bounding box,也就是说,如果将一幅图像或者一个图像块送到这个regressor network中,那么,这个regressor network输出一个相对于这个图像或者图像块的区域,这个区域中包含感兴趣的物体。这个regressor network的最后一层是class specific的,也就是说,对于每一个class,都需要训练单独最后一层。这样,假设类别数有1000,则这个regressor network输出1000个bounding box,每一个bounding box对应一类。
  对于定位问题,测试时,在每一个尺度上同时运行classification network和regressor network。这样,对于每一个尺度来说,classification network给出了图像块的类别的概率分布,regressor network进一步为每一类给出了一个bounding box,这样,对于每一个bounding box,就有一个置信度与之对应。最后,综合这些信息,给出定位结果。

生成预测:

同时在各个view和缩放比例下计算分类和回归网络,分类器对类别c的输出作为类别c在对应比例和view出现的置信分数

回归训练:

如上图所示,每个回归网络,以最后一个卷积层作为输入,回归层也有两个全连接层,隐层单元为4096,1024(为什么作者没有说,估计也是交叉实验验证的),最后的输出层有4个单元,分别是预测bounding box的四个边的坐标。和分类使用offset-pooling一样,回归预测也是用这种方式,来产生不同的预测结果。
  使用预测边界和真实边界之间的L2范数作为代价函数,来训练回归网络。最终的回归层是一个类别指定的层,有1000个不同的版本。训练回归网络在多个缩放比例下对于不同缩放比例融合非常重要。在一个比例上训练网络在原比例上表现很好,在其他比例上也会表现的很好;但是多个缩放比例训练让预测在多个比例上匹配更准确,而且还会指数级别的增加预测类别的置信度。

上图展示了在单个比例上预测的在各个offset和sliding window下 pooling后,预测的多个bounding box;从图中可以看出本文通过回归预测bounding box的方法可以很好的定位出物体的位置,而且bounding box都趋向于收敛到一个固定的位置,而且还可以定位多个物体和同一个物体的不同姿势。但是感觉offset和sliding window方式,通过融合虽然增加了了准确度,但是感觉好复杂;而且很多的边框都很相似,感觉不需要这么多的预测值。就可以满足超过覆盖50%的测试要求。

结合预测:

a)在6个缩放比例上运行分类网络,在每个比例上选取top-k个类别,就是给每个图片进行类别标定Cs
b)在每个比例上运行预测boundingbox网络,产生每个类别对应的bounding box集合Bs
c)各个比例的Bs到放到一个大集合B
d)融合bounding box。具体过程应该是选取两个bounding box b1,b2;计算b1和b2的匹配分式,如果匹配分数大于一个阈值,就结束,如果小于阈值就在B中删除b1,b2,然后把b1和b2的融合放入B中,在进行循环计算。

最终的结果通过融合具有最高置信度的bounding box给出。

具体融合过程见下图:
1,不同的缩放比例上,预测结果不同,例如在原始图像上预测结果只有熊,在放大比例后(第三,第四个图),预测分类中不仅有熊,还有鲸鱼等其他物体

2,通过offset和sliding window的方式可以有更多的类别预测

3,在每个比例上预测bounding box,放大比例越大的图片,预测的bounding box越多

4,融合bouding box

在最终的分类中,鲸鱼预测和其他的物体消失不仅使因为更低的置信度,还有就是他们的bounding box集合Bs不像熊一样连续,具有一致性,从而没有持续的置信度积累。通过这种方式正确的物体持续增加置信度,而错误的物体识别由于缺少bounding box的一致性和置信度,最终消失。这种方法对于错误的物体具有鲁棒性(但是图片中确实有一些鱼,虽然不是鲸鱼;但是系统并没有识别出来;也可能是类别中有鲸鱼,但是没有此种鱼的类别)。

实验:

本文多个multi-scale和multi-view的方式非常关键,multi-view降低了4%,multi-scale降低了6%。令人惊讶的是本文PCR的结果并没有SCR好,原因是PCR的有1000个模型,每个模型都是用自己类别的数据来进行训练,训练数据不足可能导致欠拟合。而SCR通过权值共享,得到了充分的训练。

检测

检测和分类训练阶段相似,但是是以空间的方式进行;一张图片中的多个位置可能会同时训练。和定位不通过的是,图片内没有物体的时候,需要预测背景。
  这个地方由于作者叙述的有些简略,没怎么看懂;本文的方法在ILSVRC中获得了19%,在赛后改进到24.3%;赛后主要是使用更长的训练时间和利用“周围环境”(每一个scale也同时使用低像素scale作为输入;这个有点不明白)。

总结

1,multi-scale ,sliding window方式,用来分类,定位,检测
2,在一个卷积网络框架中,同时进行3个任务:分类,定位,检测

本文还可以进一步改进,

1,在定位实验中,没有整个网络进行反向传播训练
2,用评价标准的IOU作为损失函数,来替换L2
3,交换bounding box的参数,帮助去掉结果的相关性(这个有点不明白)。

后来工作2被牛津大学作者做了出来。

个人总结:个人感觉学习这篇文献最重要的在于学习FCNoffset pooling,然后把它们结合起来,提高分类任务的精度,同时也让我们看到了CNN特征提取、迁移学习的强大威力。

Reference

[1] 深度学习研究理解6:OverFeat:Integrated Recognition, Localization and Detection using Convolutional Networks
[2] 【一步一步的积累】OverFeat
[3] 深度学习(二十)基于Overfeat的图片分类、定位、检测-2014 ICLR
[4] [转载]深度学习论文笔记:OverFeat
[5] Github : Russell91/TensorBox


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