目标检测算法之SSD

本文转自|机器学习算法工程师

目标检测近年来已经取得了很重要的进展，主流的算法主要分为两个类型：（1）two-stage方法，如R-CNN系算法，其主要思路是先通过启发式方法（selective search）或者CNN网络（RPN)产生一系列稀疏的候选框，然后对这些候选框进行分类与回归，two-stage方法的优势是准确度高；（2）one-stage方法，如Yolo和SSD，其主要思路是均匀地在图片的不同位置进行密集抽样，抽样时可以采用不同尺度和长宽比，然后利用CNN提取特征后直接进行分类与回归，整个过程只需要一步，所以其优势是速度快，但是均匀的密集采样的一个重要缺点是训练比较困难，这主要是因为正样本与负样本（背景）极其不均衡（参见Focal Loss，https://arxiv.org/abs/1708.02002），导致模型准确度稍低。不同算法的性能如图1所示，可以看到两类方法在准确度和速度上的差异。

图1 不同检测算法的性能对比

本文讲解的是SSD算法，其英文全名是Single Shot MultiBox Detector，名字取得不错，Single shot指明了SSD算法属于one-stage方法，MultiBox指明了SSD是多框预测。在上一篇文章中我们已经讲了Yolo算法，从图1也可以看到，SSD算法在准确度和速度（除了SSD512）上都比Yolo要好很多。图2给出了不同算法的基本框架图，对于Faster R-CNN，其先通过CNN得到候选框，然后再进行分类与回归，而Yolo与SSD可以一步到位完成检测。相比Yolo，SSD采用CNN来直接进行检测，而不是

像Yolo那样在全连接层之后做检测。其实采用卷积直接做检测只是SSD相比Yolo的其中一个不同点，另外还有两个重要的改变，一是SSD提取了不同尺度的特征图来做检测，大尺度特征图（较靠前的特征图）可以用来检测小物体，而小尺度特征图（较靠后的特征图）用来检测大物体；二是SSD采用了不同尺度和长宽比的先验框（Prior boxes, Default boxes，在Faster R-CNN中叫做锚，Anchors）。Yolo算法缺点是难以检测小目标，而且定位不准，但是这几点重要改进使得SSD在一定程度上克服这些缺点。下面我们详细讲解SDD算法的原理，并最后给出如何用TensorFlow实现SSD算法。

图2 不同算法的基本框架图

图5 SSD网络结构

采用VGG16做基础模型，首先VGG16是在ILSVRC CLS-LOC数据集预训练。然后借鉴了DeepLab-LargeFOV，链接https://export.arxiv.org/pdf/1606.00915，分别将VGG16的全连接层fc6和fc7转换成3*3卷积层conv6和1*1卷积层conv7，同时将池化层pool5由原来的2*2-s2变成3*3-s1(猜想是不想reduce特征图大小),为了配合这种变化，采用了一种Atrous Algorithm，其实就是conv6采用扩展卷积或带孔卷积（Dilation Conv，https://arxiv.org/abs/1511.07122），其在不增加参数与模型复杂度的条件下指数级扩大卷积的视野，其使用扩张率(dilation rate)参数，来表示扩张的大小，如下图6所示，(a)是普通的3*3卷积，其视野就是3*3,，(b)是扩张率为2，此时视野变成7*7，(c)扩张率为4时，视野扩大为15*15，但是视野的特征更稀疏了。Conv6采用3*3大小但dilation rate=6的扩展卷积。

图6 扩展卷积

然后移除dropout层和fc8层，并新增一系列卷积层，在检测数据集上做finetuing。

其中VGG16中的Conv4_3层将作为用于检测的第一个特征图。conv4_3层特征图大小是38*38，但是该层比较靠前，其norm较大，所以在其后面增加了一个L2 Normalization层（参见ParseNet，https://arxiv.org/abs/1506.04579），以保证和后面的检测层差异不是很大，这个和Batch Normalization层不太一样，其仅仅是对每个像素点在channle维度做归一化，而Batch Normalization层是在[batch_size, width, height]三个维度上做归一化。归一化后一般设置一个可训练的放缩变量gamma，使用TF可以这样简单实现：

# l2norm (not bacth norm, spatial normalization)
def l2norm(x, scale, trainable=True, scope="L2Normalization"):
    n_channels = x.get_shape().as_list()[-1]
    l2_norm = tf.nn.l2_normalize(x, [3], epsilon=1e-12)
    with tf.variable_scope(scope):
        gamma = tf.get_variable("gamma", shape=[n_channels, ], dtype=tf.float32,
                                initializer=tf.constant_initializer(scale),
                                trainable=trainable)
        return l2_norm * gamma

从后面新增的卷积层中提取Conv7，Conv8_2，Conv9_2，Conv10_2，Conv11_2作为检测所用的特征图，加上Conv4_3层，共提取了6个特征图，其大小分别是(38,38),(19,19),(10,10),(5,5),(3,3,),(1,1),,但是不同特征图设置的先验框数目不同（同一个特征图上每个单元设置的先验框是相同的，这里的数目指的是一个单元的先验框数目）。先验框的设置，包括尺度（或者说大小）和长宽比两个方面。对于先验框的尺度，其遵守一个线性递增规则：随着特征图大小降低，先验框尺度线性增加： 

其中m指的特征图个数，但却是5，因为第一层（Conv4_3层）是单独设置的，Sk示先验框大小相对于图片的比例，而Smin和Smax表示比例的最小值与最大值，paper里面取0.2和0.9。对于第一个特征图，其先验框的尺度比例一般设置为Smin/2=0.1,那么尺度为300*0.1=30。对于后面的特征图，先验框尺度按照上面公式线性增加，但是先将尺度比例先扩大100倍，此时增长步长为，这样各个特征图的Sk为20,37,54,71,88,将这些比例除以100，然后再乘以图片大小，可以得到各个特征图的尺度为60,111,162,213,264，这种计算方式是参考SSD的Caffe源码。综上，可以得到各个特征图的先验框尺度30,60,111,162,213,264。对于长宽比，一般选取，对于特定的长宽比，按如下公式计算先验框的宽度与高度（后面的Sk均指的是先验框实际尺度，而不是尺度比例）： 

默认情况下，每个特征图会有一个且尺度为Sk的先验框，除此之外，还会设置一个尺度为且的先验框，这样每个特征图都设置了两个长宽比为1但大小不同的正方形先验框。注意最后一个特征图需要参考一个虚拟来计算。因此，每个特征图一共有6个先验框，但是在实现时，Conv4_3，Conv10_2和Conv11_2层仅使用4个先验框，它们不使用长宽比为3，1/3的先验框。每个单元的先验框的中心点分布在各个单元的中心，即，其中为特征图的大小。

得到了特征图之后，需要对特征图进行卷积得到检测结果，图7给出了一个5*5大小的特征图的检测过程。其中Priorbox是得到先验框，前面已经介绍了生成规则。检测值包含两个部分：类别置信度和边界框位置，各采用一次3*3卷积来进行完成。令为该特征图所采用的先验框数目，那么类别置信度需要的卷积核数量为，而边界框位置需要的卷积核数量为。由于每个先验框都会预测一个边界框，所以SSD300一共可以预测

个边界框，这是一个相当庞大的数字，所以说SSD本质上是密集采样。

图7 基于卷积得到检测结果

（1）先验框匹配 

在训练过程中，首先要确定训练图片中的ground truth（真实目标）与哪个先验框来进行匹配，与之匹配的先验框所对应的边界框将负责预测它。在Yolo中，ground truth的中心落在哪个单元格，该单元格中与其IOU最大的边界框负责预测它。但是在SSD中却完全不一样，SSD的先验框与ground truth的匹配原则主要有两点。首先，对于图片中每个ground truth，找到与其IOU最大的先验框，该先验框与其匹配，这样，可以保证每个ground truth一定与某个先验框匹配。通常称与ground truth匹配的先验框为正样本，反之，若一个先验框没有与任何ground truth进行匹配，那么该先验框只能与背景匹配，就是负样本。一个图片中ground truth是非常少的， 而先验框却很多，如果仅按第一个原则匹配，很多先验框会是负样本，正负样本极其不平衡，所以需要第二个原则。第二个原则是：对于剩余的未匹配先验框，若某个ground truth的IOU大于某个阈值（一般是0.5），那么该先验框也与这个ground truth进行匹配。这意味着某个ground truth可能与多个先验框匹配，这是可以的。但是反过来却不可以，因为一个先验框只能匹配一个ground truth，如果多个ground truth与某个先验框IOU大于阈值，那么先验框只与IOU最大的那个先验框进行匹配。第二个原则一定在第一个原则之后进行，仔细考虑一下这种情况，如果某个ground truth所对应最大IOU小于阈值，并且所匹配的先验框却与另外一个ground truth的IOU大于阈值，那么该先验框应该匹配谁，答案应该是前者，首先要确保某个ground truth一定有一个先验框与之匹配。但是，这种情况我觉得基本上是不存在的。由于先验框很多，某个ground truth的最大IOU肯定大于阈值，所以可能只实施第二个原则既可以了，这里的TensorFlow（https://github.com/xiaohu2015/SSD-Tensorflow/blob/master/nets/ssd_common.py）版本就是只实施了第二个原则，但是这里的Pytorch（https://github.com/amdegroot/ssd.pytorch/blob/master/layers/box_utils.py）两个原则都实施了。图8为一个匹配示意图，其中绿色的GT是ground truth，红色为先验框，FP表示负样本，TP表示正样本。

图8 先验框匹配示意图

尽管一个ground truth可以与多个先验框匹配，但是ground truth相对先验框还是太少了，所以负样本相对正样本会很多。为了保证正负样本尽量平衡，SSD采用了hard negative mining，就是对负样本进行抽样，抽样时按照置信度误差（预测背景的置信度越小，误差越大）进行降序排列，选取误差的较大的top-k作为训练的负样本，以保证正负样本比例接近1:3。

（2）损失函数 

训练样本确定了，然后就是损失函数了。损失函数定义为位置误差（locatization loss， loc）与置信度误差（confidence loss, conf）的加权和： 

其中N是先验框的正样本数量。这里为一个指示参数，当时表示第i个先验框与第j个ground truth匹配，并且ground truth的类别为p。c为类别置信度预测值。l为先验框的所对应边界框的位置预测值，而g

是ground truth的位置参数。对于位置误差，其采用Smooth L1 loss，定义如下：

由于的存在，所以位置误差仅针对正样本进行计算。值得注意的是，要先对ground truth的g进行编码得到，因为预测值l也是编码值，若设置variance_encoded_in_target=True，编码时要加上variance： 

对于置信度误差，其采用softmax loss: 

权重系数a通过交叉验证设置为1。

（3）数据扩增 

采用数据扩增（Data Augmentation）可以提升SSD的性能，主要采用的技术有水平翻转（horizontal flip），随机裁剪加颜色扭曲（random crop & color distortion），随机采集块域（Randomly sample a patch）（获取小目标训练样本），如下图所示：

图9 数据扩增方案

其它的训练细节如学习速率的选择详见论文，这里不再赘述。

表1 SSD在不同数据集上的性能

SSD与其它检测算法的对比结果（在VOC2007数据集）如表2所示，基本可以看到，SSD与Faster R-CNN有同样的准确度，并且与Yolo具有同样较快地检测速度。

表2 SSD与其它检测算法的对比结果（在VOC2007数据集） 

文章还对SSD的各个trick做了更为细致的分析，表3为不同的trick组合对SSD的性能影响，从表中可以得出如下结论：

• 数据扩增技术很重要，对于mAP的提升很大；

• 使用不同长宽比的先验框可以得到更好的结果；

表3 不同的trick组合对SSD的性能影响 

同样的，采用多尺度的特征图用于检测也是至关重要的，这可以从表4中看出：

表4 多尺度特征图对SSD的影响 

SSD在很多框架上都有了开源的实现，这里基于balancap的TensorFlow版本（https://github.com/balancap/SSD-Tensorflow）来实现SSD的Inference过程。这里实现的是SSD300，与paper里面不同的是，这里采用。首先定义SSD的参数：

self.ssd_params = SSDParams(img_shape=(300, 300),   # 输入图片大小
                                num_classes=21,     # 类别数+背景
                                no_annotation_label=21,
                                feat_layers=["block4", "block7", "block8", "block9", "block10", "block11"],   # 要进行检测的特征图name
                                feat_shapes=[(38, 38), (19, 19), (10, 10), (5, 5), (3, 3), (1, 1)],  # 特征图大小
                                anchor_size_bounds=[0.15, 0.90],  # 特征图尺度范围
                                anchor_sizes=[(21., 45.),
                                              (45., 99.),
                                              (99., 153.),
                                              (153., 207.),
                                              (207., 261.),
                                              (261., 315.)],  # 不同特征图的先验框尺度（第一个值是s_k，第2个值是s_k+1）
                                anchor_ratios=[[2, .5],
                                               [2, .5, 3, 1. / 3],
                                               [2, .5, 3, 1. / 3],
                                               [2, .5, 3, 1. / 3],
                                               [2, .5],
                                               [2, .5]], # 特征图先验框所采用的长宽比（每个特征图都有2个正方形先验框）
                                anchor_steps=[8, 16, 32, 64, 100, 300],  # 特征图的单元大小
                                anchor_offset=0.5,                       # 偏移值，确定先验框中心
                                normalizations=[20, -1, -1, -1, -1, -1],  # l2 norm
                                prior_scaling=[0.1, 0.1, 0.2, 0.2]       # variance
                                )

然后构建整个网络，注意对于stride=2的conv不要使用TF自带的padding="same"，而是手动pad，这是为了与Caffe一致：

def _built_net(self):
    """Construct the SSD net"""
    self.end_points = {}  # record the detection layers output
    self._images = tf.placeholder(tf.float32, shape=[None, self.ssd_params.img_shape[0],
                                                    self.ssd_params.img_shape[1], 3])
    with tf.variable_scope("ssd_300_vgg"):
        # original vgg layers
        # block 1
        net = conv2d(self._images, 64, 3, scope="conv1_1")
        net = conv2d(net, 64, 3, scope="conv1_2")
        self.end_points["block1"] = net
        net = max_pool2d(net, 2, scope="pool1")
        # block 2
        net = conv2d(net, 128, 3, scope="conv2_1")
        net = conv2d(net, 128, 3, scope="conv2_2")
        self.end_points["block2"] = net
        net = max_pool2d(net, 2, scope="pool2")
        # block 3
        net = conv2d(net, 256, 3, scope="conv3_1")
        net = conv2d(net, 256, 3, scope="conv3_2")
        net = conv2d(net, 256, 3, scope="conv3_3")
        self.end_points["block3"] = net
        net = max_pool2d(net, 2, scope="pool3")
        # block 4
        net = conv2d(net, 512, 3, scope="conv4_1")
        net = conv2d(net, 512, 3, scope="conv4_2")
        net = conv2d(net, 512, 3, scope="conv4_3")
        self.end_points["block4"] = net
        net = max_pool2d(net, 2, scope="pool4")
        # block 5
        net = conv2d(net, 512, 3, scope="conv5_1")
        net = conv2d(net, 512, 3, scope="conv5_2")
        net = conv2d(net, 512, 3, scope="conv5_3")
        self.end_points["block5"] = net
        print(net)
        net = max_pool2d(net, 3, stride=1, scope="pool5")
        print(net)

        # additional SSD layers
        # block 6: use dilate conv
        net = conv2d(net, 1024, 3, dilation_rate=6, scope="conv6")
        self.end_points["block6"] = net
        #net = dropout(net, is_training=self.is_training)
        # block 7
        net = conv2d(net, 1024, 1, scope="conv7")
        self.end_points["block7"] = net
        # block 8
        net = conv2d(net, 256, 1, scope="conv8_1x1")
        net = conv2d(pad2d(net, 1), 512, 3, stride=2, scope="conv8_3x3",
                     padding="valid")
        self.end_points["block8"] = net
        # block 9
        net = conv2d(net, 128, 1, scope="conv9_1x1")
        net = conv2d(pad2d(net, 1), 256, 3, stride=2, scope="conv9_3x3",
                     padding="valid")
        self.end_points["block9"] = net
        # block 10
        net = conv2d(net, 128, 1, scope="conv10_1x1")
        net = conv2d(net, 256, 3, scope="conv10_3x3", padding="valid")
        self.end_points["block10"] = net
        # block 11
        net = conv2d(net, 128, 1, scope="conv11_1x1")
        net = conv2d(net, 256, 3, scope="conv11_3x3", padding="valid")
        self.end_points["block11"] = net

        # class and location predictions
        predictions = []
        logits = []
        locations = []
        for i, layer in enumerate(self.ssd_params.feat_layers):
            cls, loc = ssd_multibox_layer(self.end_points[layer], self.ssd_params.num_classes,
                                          self.ssd_params.anchor_sizes[i],
                                          self.ssd_params.anchor_ratios[i],
                                          self.ssd_params.normalizations[i], scope=layer+"_box")
            predictions.append(tf.nn.softmax(cls))
            logits.append(cls)
            locations.append(loc)
        return predictions, logits, locations

对于特征图的检测，这里单独定义了一个组合层ssd_multibox_layer，其主要是对特征图进行两次卷积，分别得到类别置信度与边界框位置：

# multibox layer: get class and location predicitions from detection layer
def ssd_multibox_layer(x, num_classes, sizes, ratios, normalization=-1, scope="multibox"):
    pre_shape = x.get_shape().as_list()[1:-1]
    pre_shape = [-1] + pre_shape
    with tf.variable_scope(scope):
        # l2 norm
        if normalization > 0:
            x = l2norm(x, normalization)
            print(x)
        # numbers of anchors
        n_anchors = len(sizes) + len(ratios)
        # location predictions
        loc_pred = conv2d(x, n_anchors*4, 3, activation=None, scope="conv_loc")
        loc_pred = tf.reshape(loc_pred, pre_shape + [n_anchors, 4])
        # class prediction
        cls_pred = conv2d(x, n_anchors*num_classes, 3, activation=None, scope="conv_cls")
        cls_pred = tf.reshape(cls_pred, pre_shape + [n_anchors, num_classes])
        return cls_pred, loc_pred