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一、前言

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（参考RefineDet）：
（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），导致模型准确度稍低。不同算法的性能如下图所示，可以看到两类方法在准确度和速度上的差异。

二、SSD（Single Shot MultiBox Detector）

SSD相对于YOLO的优势：

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。
基本架构如下：

在Yolo中，每个单元预测多个边界框，但是其都是相对这个单元本身（正方块），但是真实目标的形状是多变的，Yolo需要在训练过程中自适应目标的形状。而SSD借鉴了Faster R-CNN中anchor的理念，每个单元设置尺度或者长宽比不同的先验框，预测的边界框（bounding boxes）是以这些先验框为基准的，在一定程度上减少训练难度。一般情况下，每个单元会设置多个先验框，其尺度和长宽比存在差异，如下图所示，可以看到每个单元使用了4个不同的先验框，图片中猫和狗分别采用最适合它们形状的先验框来进行训练，后面会详细讲解训练过程中的先验框匹配原则。

对于每个单元的每个先验框，其都输出一套独立的检测值，对应一个边界框，主要分为两个部分。
第一部分是各个类别的置信度或者评分，值得注意的是SSD将背景也当做了一个特殊的类别，如果检测目标共有 c 个类别，SSD其实需要预测 c+1 个置信度值，其中第一个置信度指的是不含目标或者属于背景的评分。后面当我们说 c 个类别置信度时，请记住里面包含背景那个特殊的类别，即真实的检测类别只有 c-1 个。在预测过程中，置信度最高的那个类别就是边界框所属的类别，特别地，当第一个置信度值最高时，表示边界框中并不包含目标。
第二部分就是边界框的location，包含4个值 (cx, cy, w, h) ，分别表示边界框的中心坐标以及宽高。但是真实预测值其实只是边界框相对于先验框的转换值：
先验框位置用 d=(d cx , d cy , d w ,d h ) 表示，其对应边界框用 b=(b cx , b cy , b w ,b h ) 表示，那么边界框的预测值 l 其实是 b 相对于 d 的转换值

习惯上，我们称上面这个过程为边界框的编码（encode），预测时，你需要反向这个过程，即进行解码（decode），从预测值 l 中得到边界框的真实位置 b ：

综上所述，对于一个大小 m×n×c 的特征图m×n×c 分别宽高通道数，每个像素生成先验框数目记为 k×anchor，需要 k×4个3×3×c 的 卷积核来预测每个先验框的坐标;需要 k*(C+1)个33c的卷积核来预测每个先验框的类别。

三、SSD训练过程

膨胀卷积：

在上面的SSD基本结构图中可以看出，SSD采用VGG16做基础模型，首先VGG16是在ILSVRC CLS-LOC数据集预训练。将VGG16的
全连接层fc6和fc7转换成 33 卷积层 conv6和 11 卷积层conv7，同时将池化层pool5由原来的变成（猜想是不想reduce特征图大小），为了配合这种变化，采用了一种膨胀卷积神经网络，其实就是conv6采用扩展卷积或带孔卷积（Dilation Conv），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，如下图所示，(a)是普通的 3 3卷积，其视野就是 3 3 ，(b)是扩张率为1，此时视野变成 77 ，©扩张率为3时，视野扩大为 1515 ，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。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。

训练过程

（1）先验框匹配

第一个原则：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，TensorFlow版本就是只实施了第二个原则。下图为一个匹配示意图，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。

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：


（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：

四、SSD预测过程

预测过程比较简单，对于每个预测框，首先根据类别置信度确定其类别（置信度最大者）与置信度值，并过滤掉属于背景的预测框。然后根据置信度阈值（如0.5）过滤掉阈值较低的预测框。对于留下的预测框进行解码，根据先验框得到其真实的位置参数（解码后一般还需要做clip，防止预测框位置超出图片）。解码之后，一般需要根据置信度进行降序排列，然后仅保留top-k（如400）个预测框。最后就是进行NMS算法，过滤掉那些重叠度较大的预测框。最后剩余的预测框就是检测结果了。

性能评估
SSD与其它检测算法的对比结果（在VOC2007数据集）如表所示，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。