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  • 空间金字塔池化(Spatial Pyramid Pooling,SPP)

     

    基于空间金字塔池化的卷积神经网络物体检测

     

    原文地址:http://blog.csdn.net/hjimce/article/details/50187655

    作者:hjimce

    一、相关理论

       本篇博文主要讲解大神何凯明2014年的paper:《Spatial Pyramid Pooling in Deep Convolutional Networks for Visual Recognition》,这篇paper主要的创新点在于提出了空间金字塔池化。paper主页:http://research.microsoft.com/en-us/um/people/kahe/eccv14sppnet/index.html  这个算法比R-CNN算法的速度快了n多倍。

        我们知道在现有的CNN中,对于结构已经确定的网络,需要输入一张固定大小的图片,比如224*224,32*32,96*96等。这样对于我们希望检测各种大小的图片的时候,需要经过裁剪,或者缩放等一系列操作,这样往往会降低识别检测的精度,于是paper提出了“空间金字塔池化”方法,这个算法的牛逼之处,在于使得我们构建的网络,可以输入任意大小的图片,不需要经过裁剪缩放等操作,只要你喜欢,任意大小的图片都可以。不仅如此,这个算法用了以后,精度也会有所提高,总之一句话:牛逼哄哄。

        空间金字塔池化,又称之为“SPP-Net”,记住这个名字,因为在以后的外文文献中,你会经常遇到,特别是物体检测方面的paper。这个就像什么:OverFeat、GoogleNet、R-CNN、AlexNet……为了方便,学完这篇paper之后,你就需要记住SPP-Net是什么东西了。空间金子塔以前在特征学习、特征表达的相关文献中,看到过几次这个算法。

       既然之前的CNN要求输入固定大小的图片,那么我们首先需要知道为什么CNN需要输入固定大小的图片?CNN大体包含3部分,卷积、池化、全连接。

    首先是卷积,卷积操作对图片输入的大小会有要求吗?比如一个5*5的卷积核,我输入的图片是30*81的大小,可以得到(26,77)大小的图片,并不会影响卷积操作。我输入600*500,它还是照样可以进行卷积,也就是卷积对图片输入大小没有要求,只要你喜欢,任意大小的图片进入,都可以进行卷积。

    池化:池化对图片大小会有要求吗?比如我池化大小为(2,2)我输入一张30*40的,那么经过池化后可以得到15*20的图片。输入一张53*22大小的图片,经过池化后,我可以得到26*11大小的图片。因此池化这一步也没对图片大小有要求。只要你喜欢,输入任意大小的图片,都可以进行池化。

    全连接层:既然池化和卷积都对输入图片大小没有要求,那么就只有全连接层对图片结果又要求了。因为全连接层我们的连接劝值矩阵的大小W,经过训练后,就是固定的大小了,比如我们从卷积到全连层,输入和输出的大小,分别是50、30个神经元,那么我们的权值矩阵(50,30)大小的矩阵了。因此空间金字塔池化,要解决的就是从卷积层到全连接层之间的一个过度。

    也就是说在以后的文献中,一般空间金子塔池化层,都是放在卷积层到全连接层之间的一个网络层。

    二、算法概述

    OK,接着我们即将要讲解什么是空间金字塔池化。我们先从空间金字塔特征提取说起(这边先不考虑“池化”),空间金字塔是很久以前的一种特征提取方法,跟Sift、Hog等特征息息相关。为了简单起见,我们假设一个很简单两层网络:

    输入层:一张任意大小的图片,假设其大小为(w,h)。

    输出层:21个神经元。

    也就是我们输入一张任意大小的特征图的时候,我们希望提取出21个特征。空间金字塔特征提取的过程如下:


    图片尺度划分

    如上图所示,当我们输入一张图片的时候,我们利用不同大小的刻度,对一张图片进行了划分。上面示意图中,利用了三种不同大小的刻度,对一张输入的图片进行了划分,最后总共可以得到16+4+1=21个块,我们即将从这21个块中,每个块提取出一个特征,这样刚好就是我们要提取的21维特征向量。

    第一张图片,我们把一张完整的图片,分成了16个块,也就是每个块的大小就是(w/4,h/4);

    第二张图片,划分了4个块,每个块的大小就是(w/2,h/2);

    第三张图片,把一整张图片作为了一个块,也就是块的大小为(w,h)

    空间金字塔最大池化的过程,其实就是从这21个图片块中,分别计算每个块的最大值,从而得到一个输出神经元。最后把一张任意大小的图片转换成了一个固定大小的21维特征(当然你可以设计其它维数的输出,增加金字塔的层数,或者改变划分网格的大小)。上面的三种不同刻度的划分,每一种刻度我们称之为:金字塔的一层,每一个图片块大小我们称之为:windows size了。如果你希望,金字塔的某一层输出n*n个特征,那么你就要用windows size大小为:(w/n,h/n)进行池化了。

    当我们有很多层网络的时候,当网络输入的是一张任意大小的图片,这个时候我们可以一直进行卷积、池化,直到网络的倒数几层的时候,也就是我们即将与全连接层连接的时候,就要使用金字塔池化,使得任意大小的特征图都能够转换成固定大小的特征向量,这就是空间金字塔池化的奥义(多尺度特征提取出固定大小的特征向量)。具体的流程图如下:


    三、算法源码实现

     理论学的再多,终归要实践,实践是检验理论的唯一标准,caffe中有关于空间金字塔池化的源码,我这边就直接把它贴出来,以供学习使用,源码来自https://github.com/BVLC/caffe

    //1、输入参数pyramid_level:表示金字塔的第几层。我们将对这一层,进行划分为2^n个图片块。金字塔从第0层开始算起,0层就是一整张图片
     
    //第1层就是把图片划分为2*2个块,第2层把图片划分为4*4个块,以此类推……,也就是说我们块的大小就是[w/(2^n),h/(2^n)]
     
    //2、参数bottom_w、bottom_h是我们要输入这一层网络的特征图的大小
     
    //3、参数spp_param是设置我们要进行池化的方法,比如最大池化、均值池化、概率池化……
     
    LayerParameter SPPLayer<Dtype>::GetPoolingParam(const int pyramid_level,
     
    const int bottom_h, const int bottom_w, const SPPParameter spp_param)
     
    {
     
    LayerParameter pooling_param;
     
    int num_bins = pow(2, pyramid_level);//计算可以划分多少个刻度,最后我们图片块的个数就是num_bins*num_bins
     
    //计算垂直方向上可以划分多少个刻度,不足的用pad补齐。然后我们最后每个图片块的大小就是(kernel_w,kernel_h)
     
    int kernel_h = ceil(bottom_h / static_cast<double>(num_bins));//向上取整。采用pad补齐,pad的像素都是0
     
    int remainder_h = kernel_h * num_bins - bottom_h;
     
    int pad_h = (remainder_h + 1) / 2;//上下两边分摊pad
     
    //计算水平方向的刻度大小,不足的用pad补齐
     
    int kernel_w = ceil(bottom_w / static_cast<double>(num_bins));
     
    int remainder_w = kernel_w * num_bins - bottom_w;
     
    int pad_w = (remainder_w + 1) / 2;
     
     
     
     
     
    pooling_param.mutable_pooling_param()->set_pad_h(pad_h);
     
    pooling_param.mutable_pooling_param()->set_pad_w(pad_w);
     
    pooling_param.mutable_pooling_param()->set_kernel_h(kernel_h);
     
    pooling_param.mutable_pooling_param()->set_kernel_w(kernel_w);
     
    pooling_param.mutable_pooling_param()->set_stride_h(kernel_h);
     
    pooling_param.mutable_pooling_param()->set_stride_w(kernel_w);
     
     
     
    switch (spp_param.pool()) {
     
    case SPPParameter_PoolMethod_MAX://窗口最大池化
     
    pooling_param.mutable_pooling_param()->set_pool(
     
    PoolingParameter_PoolMethod_MAX);
     
    break;
     
    case SPPParameter_PoolMethod_AVE://平均池化
     
    pooling_param.mutable_pooling_param()->set_pool(
     
    PoolingParameter_PoolMethod_AVE);
     
    break;
     
    case SPPParameter_PoolMethod_STOCHASTIC://随机概率池化
     
    pooling_param.mutable_pooling_param()->set_pool(
     
    PoolingParameter_PoolMethod_STOCHASTIC);
     
    break;
     
    default:
     
    LOG(FATAL) << "Unknown pooling method.";
     
    }
     
     
     
    return pooling_param;
     
    }
     
     
     
    template <typename Dtype>
     
    //这个函数是为了获取我们本层网络的输入特征图、输出相关参数,然后设置相关变量,比如输入特征图的图片的大小、个数
     
    void SPPLayer<Dtype>::LayerSetUp(const vector<Blob<Dtype>*>& bottom,
     
    const vector<Blob<Dtype>*>& top) {
     
    SPPParameter spp_param = this->layer_param_.spp_param();
     
     
     
    num_ = bottom[0]->num();//batch size 大小
     
    channels_ = bottom[0]->channels();//特征图个数
     
    bottom_h_ = bottom[0]->height();//特征图宽高
     
    bottom_w_ = bottom[0]->width();
     
    reshaped_first_time_ = false;
     
    CHECK_GT(bottom_h_, 0) << "Input dimensions cannot be zero.";
     
    CHECK_GT(bottom_w_, 0) << "Input dimensions cannot be zero.";
     
     
     
    pyramid_height_ = spp_param.pyramid_height();//金子塔有多少层
     
    split_top_vec_.clear();//清空相关数据
     
    pooling_bottom_vecs_.clear();
     
    pooling_layers_.clear();
     
    pooling_top_vecs_.clear();
     
    pooling_outputs_.clear();
     
    flatten_layers_.clear();
     
    flatten_top_vecs_.clear();
     
    flatten_outputs_.clear();
     
    concat_bottom_vec_.clear();
     
    //如果金字塔只有一层,那么我们其实是对一整张图片进行pooling,也就是文献所提到的:global pooling
     
    if (pyramid_height_ == 1) {
     
    // pooling layer setup
     
    LayerParameter pooling_param = GetPoolingParam(0, bottom_h_, bottom_w_,spp_param);
     
    pooling_layers_.push_back(shared_ptr<PoolingLayer<Dtype> > (new PoolingLayer<Dtype>(pooling_param)));
     
    pooling_layers_[0]->SetUp(bottom, top);
     
    return;
     
    }
     
    //这个将用于保存金子塔每一层
     
    for (int i = 0; i < pyramid_height_; i++) {
     
    split_top_vec_.push_back(new Blob<Dtype>());
     
    }
     
     
     
    // split layer setup
     
    LayerParameter split_param;
     
    split_layer_.reset(new SplitLayer<Dtype>(split_param));
     
    split_layer_->SetUp(bottom, split_top_vec_);
     
     
     
    for (int i = 0; i < pyramid_height_; i++) {
     
    // pooling layer input holders setup
     
    pooling_bottom_vecs_.push_back(new vector<Blob<Dtype>*>);
     
    pooling_bottom_vecs_[i]->push_back(split_top_vec_[i]);
     
     
     
     
     
    pooling_outputs_.push_back(new Blob<Dtype>());
     
    pooling_top_vecs_.push_back(new vector<Blob<Dtype>*>);
     
    pooling_top_vecs_[i]->push_back(pooling_outputs_[i]);
     
     
     
    // 获取金字塔每一层相关参数
     
    LayerParameter pooling_param = GetPoolingParam(i, bottom_h_, bottom_w_, spp_param);
     
     
     
    pooling_layers_.push_back(shared_ptr<PoolingLayer<Dtype> > (new PoolingLayer<Dtype>(pooling_param)));
     
    pooling_layers_[i]->SetUp(*pooling_bottom_vecs_[i], *pooling_top_vecs_[i]);
     
     
     
    //每一层金字塔输出向量
     
    flatten_outputs_.push_back(new Blob<Dtype>());
     
    flatten_top_vecs_.push_back(new vector<Blob<Dtype>*>);
     
    flatten_top_vecs_[i]->push_back(flatten_outputs_[i]);
     
     
     
    // flatten layer setup
     
    LayerParameter flatten_param;
     
    flatten_layers_.push_back(new FlattenLayer<Dtype>(flatten_param));
     
    flatten_layers_[i]->SetUp(*pooling_top_vecs_[i], *flatten_top_vecs_[i]);
     
     
     
    // concat layer input holders setup
     
    concat_bottom_vec_.push_back(flatten_outputs_[i]);
     
    }
     
     
     
    // 把所有金字塔层的输出,串联成一个特征向量
     
    LayerParameter concat_param;
     
    concat_layer_.reset(new ConcatLayer<Dtype>(concat_param));
     
    concat_layer_->SetUp(concat_bottom_vec_, top);
     
    }
    

      

    函数GetPoolingParam是我们需要细读的函数,里面设置了金子塔每一层窗口大小的计算,其它的函数就不贴了,对caffe底层实现感兴趣的,可以自己慢慢细读。

    四、算法应用之物体检测

    在SPP-Net还没出来之前,物体检测效果最牛逼的应该是RCNN算法了,下面跟大家简单讲一下R-CNN的总算法流程,简单回顾一下:

    1、首先通过选择性搜索,对待检测的图片进行搜索出2000个候选窗口。

    2、把这2k个候选窗口的图片都缩放到227*227,然后分别输入CNN中,每个候选窗台提取出一个特征向量,也就是说利用CNN进行提取特征向量。

    3、把上面每个候选窗口的对应特征向量,利用SVM算法进行分类识别。

    可以看到R-CNN计算量肯定很大,因为2k个候选窗口都要输入到CNN中,分别进行特征提取,计算量肯定不是一般的大。

    OK,接着回归正题,如何利用SPP-Net进行物体检测识别?具体算法的大体流程如下:

    1、首先通过选择性搜索,对待检测的图片进行搜索出2000个候选窗口。这一步和R-CNN一样。

    2、特征提取阶段。这一步就是和R-CNN最大的区别了,同样是用卷积神经网络进行特征提取,但是SPP-Net用的是金字塔池化。这一步骤的具体操作如下:把整张待检测的图片,输入CNN中,进行一次性特征提取,得到feature maps,然后在feature maps中找到各个候选框的区域,再对各个候选框采用金字塔空间池化,提取出固定长度的特征向量。而R-CNN输入的是每个候选框,然后在进入CNN,因为SPP-Net只需要一次对整张图片进行特征提取,速度是大大地快啊。江湖传说可一个提高100倍的速度,因为R-CNN就相当于遍历一个CNN两千次,而SPP-Net只需要遍历1次。

    3、最后一步也是和R-CNN一样,采用SVM算法进行特征向量分类识别。

    算法细节说明:看完上面的步骤二,我们会有一个疑问,那就是如何在feature maps中找到原始图片中候选框的对应区域?因为候选框是通过一整张原图片进行检测得到的,而feature maps的大小和原始图片的大小是不同的,feature maps是经过原始图片卷积、下采样等一系列操作后得到的。那么我们要如何在feature maps中找到对应的区域呢?这个答案可以在文献中的最后面附录中找到答案:APPENDIX A:Mapping a Window to Feature Maps。这个作者直接给出了一个很方便我们计算的公式:假设(x’,y’)表示特征图上的坐标点,坐标点(x,y)表示原输入图片上的点,那么它们之间有如下转换关系:

    (x,y)=(S*x’,S*y’)

    其中S的就是CNN中所有的strides的乘积。比如paper所用的ZF-5:

    S=2*2*2*2=16

    而对于Overfeat-5/7就是S=12,这个可以看一下下面的表格:

     

    需要注意的是Strides包含了池化、卷积的stride。自己计算一下Overfeat-5/7(前5层)是不是等于12。

    反过来,我们希望通过(x,y)坐标求解(x’,y’),那么计算公式如下:

     

    因此我们输入原图片检测到的windows,可以得到每个矩形候选框的四个角点,然后我们再根据公式:

    Left、Top:

     

    Right、Bottom:

     

    参考文献:

    1、https://github.com/BVLC/caffe

    2、《Spatial Pyramid Pooling in Deep Convolutional Networks for Visual Recognition》

    3、http://research.microsoft.com/en-us/um/people/kahe/eccv14sppnet/index.html

    4、http://caffe.berkeleyvision.org/

    **********************作者:hjimce   时间:2015.12.5  联系QQ:1393852684   地址:http://blog.csdn.net/hjimce   原创文章,转载请保留原文地址、作者等信息****************


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