rpn（Region Proposal Network, 區域候選網絡）是faster rcnn中最重要的改進。它的主要功能是生成區域候選（Region Proposal），通俗來說，區域候選可以看做是許多潛在的邊界框（也叫anchor，它是包含4個座標的矩形框）。
那麼為什麼需要區域候選呢，因為在目標檢測之前，網絡並不知道圖片中存在多少個目標物體，所以rpn通常會預先在原圖上生成若干個邊界框，並最終輸出最有可能包含物體的anchor，也稱之為區域候選，訓練階段會不斷的調整區域候選的位置，使其與真實物體框的偏差最小。
rpn的結構如下圖所示，可以看到，backbone輸出的特徵圖經過一個3 * 3卷積之後分別進入了不同的分支，對應不同的1 * 1卷積。第一個卷積為定位層，輸出anchor的4個座標偏移。第二個卷積為分類層，輸出anchor的前後景概率。
- rpn詳細過程
看完了rpn的大致結構，下面來看rpn的詳細過程。上圖中展示的就不細講了，主要來看一下，rpn是如何生成以及處理anchor的。下圖表示了rpn網絡的詳細結構
第一步，生成基礎anchor（base_anchor），基礎anchor的數目 = 長寬比的數目 * anchor的縮放比例數目, 即anchors_num = len(ratios) * len(scales)。這裡，設置了3種長寬比（1:1, 1:2，2:1）和3種縮放尺度（8, 16, 32），因此anchor_num = 9. 下圖表示了其中一個位置對應的9個尺寸的anchor。
第二步，根據base_anchor，對特徵圖上的每一個像素，都會以它為中心生成9種不同尺寸的邊界框，所以總共生成60 40 9 = 21600個anchor。下圖所示的為特徵圖上的每個像素點在原圖上對應的位置。需要注意的是，所有生成的anchor都是相對於原圖而言的。
第三步，也是最後一步，進行anchor的篩選。首先將定位層輸出的座標偏移應用到所有生成的anchor（也就是圖2中anchor to iou），然後將所有anchor按照前景概率/得分進行從高到低排序。如圖2所示，只取前pre_nms_num個anchor（訓練階段），最後anchor通過非極大值抑制（Non-Maximum-Suppression, nms）篩選得到post_nms_num（訓練階段）個anchor，也稱作roi。
- rpn代碼實現
首先是RegionProposalNetwork類的詳細代碼。
<code># ------------------------ rpn----------------------#import numpy as npfrom torch.nn import functional as Fimport torch as tfrom torch import nnfrom model.utils.bbox_tools import generate_anchor_basefrom model.utils.creator_tool import ProposalCreatorclass RegionProposalNetwork(nn.Module): """ Args: in_channels (int): 輸入的通道數 mid_channels (int): 中間層輸出的通道數 ratios (list of floats): anchor的長寬比 anchor_scales (list of numbers): anchor的縮放尺度 feat_stride (int): 原圖與特徵圖的大小比例 proposal_creator_params (dict): 傳入ProposalCreator類的參數 """ def __init__( self, in_channels=512, mid_channels=512, ratios=[0.5, 1, 2], anchor_scales=[8, 16, 32], feat_stride=16, proposal_creator_params=dict(), ): super(RegionProposalNetwork, self).__init__() # 生成數量為(len(ratios) * len(anchors_scales))的基礎anchor, 基礎尺寸為16 * feat_stride self.anchor_base = generate_anchor_base( anchor_scales=anchor_scales, ratios=ratios) self.feat_stride = feat_stride self.proposal_layer = ProposalCreator(self, **proposal_creator_params) n_anchor = self.anchor_base.shape[0] self.conv1 = nn.Conv2d(in_channels, mid_channels, 3, 1, 1) # 分類層 self.score = nn.Conv2d(mid_channels, n_anchor * 2, 1, 1, 0) # 迴歸層 self.loc = nn.Conv2d(mid_channels, n_anchor * 4, 1, 1, 0) # 參數初始化 normal_init(self.conv1, 0, 0.01) normal_init(self.score, 0, 0.01) normal_init(self.loc, 0, 0.01) def forward(self, x, img_size, scale=1.): """ 註釋 * :math:`N` batch size * :math:`C` 輸入的通道數 * :math:`H` and :math:`W` 輸入特徵圖的高和寬 * :math:`A` 指定每個像素的anchor數目 Args: x (tensor): backbone輸出的特徵圖. shape -> :math:`(N, C, H, W)`. img_size (tuple of ints): 元組 :obj:`height, width`, 縮放後的圖片尺寸. scale (float): 從文件讀取的圖片和輸入的圖片的比例大小. Returns: * **rpn_locs**: 預測的anchor座標位移. shape -> :math:`(N, H W A, 4)`. * **rpn_scores**: 預測的前景概率得分. shape -> :math:`(N, H W A, 2)`. * **rois**: 篩選後的anchor數組. 它包含了一個批次的所有區域候選. shape -> :math:`(R', 4)`. * **roi_indices**: 表示roi對應的批次，shape -> :math:`(R',)`. * **anchor**: 生成的所有anchor. \\ shape -> :math:`(H W A, 4)`. """ n, _, hh, ww = x.shape # 根據基礎anchor生成所有anchors, 所有的anchor均是在原圖上生成的 # 一共生成 hh * ww * 9個anchor anchor = _enumerate_shifted_anchor( np.array(self.anchor_base), self.feat_stride, hh, ww) n_anchor = anchor.shape[0] // (hh * ww) h = F.relu(self.conv1(x)) # 定位層, rpn_locs --> (batch_size, 36, hh, ww) rpn_locs = self.loc(h) rpn_locs = rpn_locs.permute(0, 2, 3, 1).contiguous().view(n, -1, 4) # 分類層, rpn_locs --> (batch_size, 18, hh, ww) rpn_scores = self.score(h) rpn_scores = rpn_scores.permute(0, 2, 3, 1).contiguous() rpn_softmax_scores = F.softmax(rpn_scores.view(n, hh, ww, n_anchor, 2), dim=4) # 前景概率 rpn_fg_scores = rpn_softmax_scores[:, :, :, :, 1].contiguous() # shape --> (batch_size * hh * ww, 9) rpn_fg_scores = rpn_fg_scores.view(n, -1) # shape --> (batch_size * hh * ww, 9, 2) rpn_scores = rpn_scores.view(n, -1, 2) rois = list() roi_indices = list() for i in range(n): # 分批次處理 # 根據anchors、預測的位置偏移和前景概率得分來生成候選區域 """ 1、移除超出區域的anchor，按前景概率排序取出前pre_nums(訓練階段12000，測試階段6000)個anchors。 2、進行nms，取出前post_nums(訓練階段2000，測試階段300)個anchors """ roi = self.proposal_layer( rpn_locs[i].cpu().data.numpy(), rpn_fg_scores[i].cpu().data.numpy(), anchor, img_size, scale=scale) batch_index = i * np.ones((len(roi),), dtype=np.int32) rois.append(roi) roi_indices.append(batch_index) rois = np.concatenate(rois, axis=0) roi_indices = np.concatenate(roi_indices, axis=0) return rpn_locs, rpn_scores, rois, roi_indices, anchor def normal_init(m, mean, stddev, truncated=False): """ 權重初始化 """ # x is a parameter if truncated: m.weight.data.normal_().fmod_(2).mul_(stddev).add_(mean) # not a perfect approximation else: m.weight.data.normal_(mean, stddev) m.bias.data.zero_() # 根據基礎anchor生成所有anchordef _enumerate_shifted_anchor(anchor_base, feat_stride, height, width): """ return shape -> (height * width * 9, 4) """ shift_y = np.arange(0, height * feat_stride, feat_stride) shift_x = np.arange(0, width * feat_stride, feat_stride) # 根據特徵圖大小，在原圖上構建網格 shift_x, shift_y = np.meshgrid(shift_x, shift_y) shift = np.stack((shift_y.ravel(), shift_x.ravel(), shift_y.ravel(), shift_x.ravel()), axis=1) A = anchor_base.shape[0] K = shift.shape[0] anchor = anchor_base.reshape((1, A, 4)) + \\ shift.reshape((1, K, 4)).transpose((1, 0, 2)) anchor = anchor.reshape((K * A, 4)).astype(np.float32) return anchor/<code>
然後是ProposalCreator類的代碼，它負責rpn網絡的anchor篩選，輸出區域候選（roi）
<code># -------------------- ProposalCreator ---------------#class ProposalCreator: """ Args: nms_thresh (float): 調用nms使用的iou閾值 n_train_pre_nms (int): 在訓練階段，調用nms之前，保留的分值最高的前多少個anchor n_train_post_nms (int): 在訓練階段，調用nms之後，保留的分值最高的前多少個 n_test_pre_nms (int): 在測試階段，調用nms之前，保留的分值最高的前多少個anchor n_test_post_nms (int): 在測試階段，調用nms之後，保留的分值最高的前多少個anchor min_size (int): 尺寸閾值，小於該尺寸則丟棄。 """ def __init__(self, parent_model, nms_thresh=0.7, n_train_pre_nms=12000, n_train_post_nms=2000, n_test_pre_nms=6000, n_test_post_nms=300, min_size=16 ): self.parent_model = parent_model self.nms_thresh = nms_thresh self.n_train_pre_nms = n_train_pre_nms self.n_train_post_nms = n_train_post_nms self.n_test_pre_nms = n_test_pre_nms self.n_test_post_nms = n_test_post_nms self.min_size = min_size def __call__(self, loc, score, anchor, img_size, scale=1.): """ :math:`R` anchor總數目. Args: loc (array): 預測的座標偏移，shape -> :math:`(R, 4)`. score (array): 預測的前景概率,shape -> :math:`(R,)`. anchor (array): 生成的anchor，shape -> :math:`(R, 4)`. img_size (tuple of ints): 元組，縮放前的圖片尺寸 :obj:`height, width`. scale (float): Returns: array: """ # NOTE: 測試時，需要 # faster_rcnn.eval() # 設置 self.traing = False if self.parent_model.training: n_pre_nms = self.n_train_pre_nms n_post_nms = self.n_train_post_nms else: n_pre_nms = self.n_test_pre_nms n_post_nms = self.n_test_post_nms # 將anchor轉換為候選. roi = loc2bbox(anchor, loc) roi[:, slice(0, 4, 2)] = np.clip( roi[:, slice(0, 4, 2)], 0, img_size[0]) roi[:, slice(1, 4, 2)] = np.clip( roi[:, slice(1, 4, 2)], 0, img_size[1]) # 丟棄尺寸小於最小尺寸閾值的anchor min_size = self.min_size * scale hs = roi[:, 2] - roi[:, 0] ws = roi[:, 3] - roi[:, 1] keep = np.where((hs >= min_size) & (ws >= min_size))[0] roi = roi[keep, :] score = score[keep] # 按照前景概率從大到小排序 # Take top pre_nms_topN (e.g. 6000). order = score.ravel().argsort()[::-1] if n_pre_nms > 0: order = order[:n_pre_nms] roi = roi[order, :] keep = non_maximum_suppression( np.ascontiguousarray(np.asarray(roi)), thresh=self.nms_thresh) if n_post_nms > 0: keep = keep[:n_post_nms] roi = roi[keep] return roi/<code>
- 細節
- 為什麼不是直接預測anchor的中心座標以及長寬或者4個座標，而是預測anchor的座標偏移（圖中的px，py，pw，ph）呢？
a. 如直接預測中心座標以及長寬或者是預測4個座標，則大部分預測都是無效預測，因為網絡預測的輸出並不太可能滿足這種約束條件。
b. 圖片中的物體通常大小不一，形狀也大不相同，直接預測中心座標以及長寬或者是4個座標，範圍過大，這使得網絡難以訓練。
c. 而座標偏移一方面大小較小，同時，座標偏移有良好的數學公式，能夠方便的求導。 - iou的計算
<code>def bbox_iou(bbox_a, bbox_b): """ return: array: shape -> (bbox_a.shape[0], bbox_b.shape[1]) """ if bbox_a.shape[1] != 4 or bbox_b.shape[1] != 4: raise IndexError # 上邊界和左邊界 tl = np.maximum(bbox_a[:, None, :2], bbox_b[:, :2]) # 下邊界和右邊界 br = np.minimum(bbox_a[:, None, 2:], bbox_b[:, 2:]) area_i = np.prod(br - tl, axis=2) * (tl < br).all(axis=2) area_a = np.prod(bbox_a[:, 2:] - bbox_a[:, :2], axis=1) area_b = np.prod(bbox_b[:, 2:] - bbox_b[:, :2], axis=1) return area_i / (area_a[:, None] + area_b - area_i)/<code>
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