目标检测：SPP-net

《Spatial Pyramid Pooling in Deep Convolutional Networks for Visual Recognition》论文解读

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本文来自Kaiming He大神。

上文说到R-CNN的最大瓶颈是2k个候选区域都要经过一次CNN，速度非常慢。Kaiming He大神最先对此作出改进，提出了SPP-net，最大的改进是只需要将原图输入一次，就可以得到每个候选区域的特征。

概述

在R-CNN中，候选区域需要进过变形缩放，以此适应CNN输入，那么能不能修改网络结构，使得任意大小的图片都能输入到CNN中呢？作者提出了spatial pyramid pooling结构来适应任何大小的图片输入。

网络结构

为什么CNN需要固定输入大小？卷积层和池化层的输出尺寸都是和输入尺寸相关的，它们的输入是不需要固定图片尺寸的，真正需要固定尺寸的是最后的全连接层。

由于FC层的存在，普通的CNN通过固定输入图片的大小来使得全连接层输入固定。作者不这样思考，既然卷积层可以适应任何尺寸，那么只需要在卷积层的最后加入某种结构，使得后面全连接层得到的输入为固定长度就可以了。这个结构就是spatial pyramid pooling layer：

在最后的卷积层和全连接层之间加入SPP层。具体做法是，在conv5层得到的特征图是256层，每层都做一次spatial pyramid pooling。先把每个特征图分割成多个不同尺寸的网格，比如网格分别为4*4、2*2、1*1,然后每个网格做max pooling，这样256层特征图就形成了16*256，4*256，1*256维特征，他们连起来就形成了一个固定长度的特征向量，将这个向量输入到后面的全连接层。

训练

这样的网络怎么训练呢？对于图片分类任务而言，如果图片大小固定，那么SPP层每个金字塔的大小是可以提前计算的，根据conv5的尺寸计算出每次池化的步长和窗口大小。如果图片大小不固定呢，将图片变为不同的尺寸224*224和180*180，因为池化层是没有参数的，步长和窗口大小是提前计算得到的，两种尺寸的网络是共享了所有的参数。使用两种尺寸图片轮流训练网络，更新参数。作者发现多尺寸和单尺寸收敛速度是差不多的。两种尺寸是训练时候的策略，在测试的时候，不管什么尺寸的输入，直接使用训练好的参数计算。

检测

上面说的都是分类问题，下面说SPP在检测问题中的应用。

对卷积层可视化发现：输入图片的某个位置的特征反应在特征图上也是在相同位置。基于这一事实，对某个ROI区域的特征提取只需要在特征图上的相应位置提取就可以了。

一张任意尺寸的图片，在最后的卷积层conv5可以得到特征图。根据Region proposal步骤可以得到很多候选区域，这个候选区域可以在特征图上找到相同位置对应的窗口，然后使用SPP，每个窗口都可以得到一个固定长度的输出。将这个输出输入到全连接层里面。这样，图片只需要经过一次CNN，候选区域特征直接从整张图片特征图上提取。在训练这个特征提取网络的时候，使用分类任务得到的网络，固定前面的卷积层，只微调后面的全连接层。

在检测的后面模块，仍然和R-CNN一样，使用SVM和边框回归。SVM的特征输入是FC层，边框回归特征使用SPP层。

总结

SPP-net对R-CNN最大的改进就是特征提取步骤做了修改，其他模块仍然和R-CNN一样。特征提取不再需要每个候选区域都经过CNN，只需要将整张图片输入到CNN就可以了，ROI特征直接从特征图获取。和R-CNN相比，速度提高了百倍。

SPP-net缺点也很明显，CNN中的conv层在微调时是不能继续训练的。它仍然是R-CNN的框架，离我们需要的端到端的检测还差很多。既然端到端如此困难，那就先统一后面的几个模块吧，把SVM和边框回归去掉，由CNN直接得到类别和边框可不可以？于是就有了Fast R-CNN。