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Single Shot MultiBox Detector

Introduction

一句话概括：SSD就是关于类别的多尺度RPN网络

基本思路：

• 基础网络后接多层feature map
• 多层feature map分别对应不同尺度的固定anchor
• 回归所有anchor对应的class和bounding box

Model

SSD

• 输入：300x300
• 经过VGG-16（只到conv4_3这一层）
• 经过几层卷积，得到多层尺寸逐渐减小的feature map
• 每层feature map分别做3x3卷积，每个feature map cell(又称slide window)对应k个类别和4个bounding box offset，同时对应原图中6（或4）个anchor(又称default box)

  • 38x38, 最后3x3, 1x1三个feature map的每个feature map cell只对应4个anchor，分别为宽高比: 1:1两种，1:2, 2:1两种，因此总共有 38 * 38 * 4 + 19 * 19 * 6 + 10 * 10 * 6 + 5 * 5 * 6 + 3 * 3 * 4 + 1 * 1 * 4 = 8732 个anchor

  • 其他feature map的feature map cell对应6个anchor，分别为宽高比: 1:1两种，1:2, 2:1两种，1:3， 3:1两种

  • 每层的feature map cell对应的anchor计算方法如下

  • 位置：假设当前feature map cell是位于第i行，第j列，则anchor的中心为 ((i+0.5)/|f_k|,(j+0.5)/|f_k|), f_k是第k层feature map的size（比如38）

  • 缩放因子:
    

    Scale
    
    其中s_min为0.2，s_max为0.9，m为添加的feature map的层数，缩放因子就是为不同feature map选择不同的大小的anchor，要求小的feature map对应的anchor尽量大，因为越小的feature map，其feature map cell的感受野就越大

  • anchor宽高：

    
    
    width
    height

    其中，a_r∈{1,2,3,1/2,1/3}，可以理解为在缩放因子选择好anchor尺寸后，用a_r来控制anchor形状，从而得到多尺度的各种anchor，当a_r=1时，增加一种 s_k=sqrt(s_k-1s_k+1)，于是每个feature map cell通常对应6种anchor。

• 网络的训练目标就是，回归各个anchor对应的类别和位置

Training

样本

• 正样本
  选择与bounding box jaccard overlap（两张图的交集/并集）大于0.5的anchor作为正样本

• 样本比例
  Hard negative mining：由于负样本很多，需要去掉一部分负样本，先整图经过网络，根据每个anchor的最高类置信度进行排序，选择置信度靠前的样本，这样筛选出来的负样本也会更难识别，并且最终正负样本比例大概是1:3

Loss

还是一如既往的location loss + classification loss，并为location loss添加了系数α（然而实际上α=1）进行平衡，并在batch维度进行平均

SSD Loss

• x是x_ij^p的集合x_ij^p={1,0}，用于判断第i个anchor是否是第j个bounding box上的p类样本
• c是c_i^p的集合，c_i^p是第i个anchor预测为第p类的概率
• l是预测的bounding box集合
• g是ground true bounding box集合

其中定位loss与faster rcnn相同

Location loss

这个式子里的k不是很明确，其实想表达不算背景0类的意思，且前景类只为match的类算location loss

分类loss就是很常用的softmax交叉熵了

classification

核心的内容到这里就讲完了，其实跟YOLO和faster rcnn也很像，是一个用anchor box充当固定的proposal的rpn，并且用多尺度的anchor来适应多种尺度和形状的目标对象。

Detail

在训练中还用到了data augmentation（数据增强/扩充），每张图片多是由下列三种方法之一随机采样而来

• 使用整图
• crop图片上的一部分，crop出来的min面积为0.1,0.3,0.5,0.7,0.9
• 完全随机地crop

然后这些图片会被resize到固定的大小，随机水平翻转，加入一些图像上的噪声，详情可以参考另一篇论文：

Some improvements on deep convolutional neural network based image classification

从切除实验中，可以看到data augmentaion是很重要的（从65.6到71.6）

Experiment

这个表中还提到了atrous，指的是空洞卷积，是图像分割（deeplab）领域首先提出的一个卷积层改进，基于相邻像素冗余的假设，跳过相邻像素进行卷积，感受野更大，测试速度也更快。

• 标准卷积：

  
  
  conv.gif

• 空洞卷积：

  
  
  dilate_conv.gif

具体可以参考 ICLR2015 Deeplab

从这个表中也可以看出多种形状的anchor可以提升准确率

Result

输入尺寸为300x300，batch size为8的SSD300可以做到实时(59FPS)且准确(74.3% mAP)的测试

Summary

SSD算是一个改进性的东西，站在Faster RCNN的肩膀上达到了实时且准确的检测