目标检测(Object Detection)

任务是计算机视觉中非常重要的基础问题，也是解决图像分割、目标跟踪、图像描述等问题的基础。目标检测是检测输入图像是否存在给定类别的物体，如果存在，输出物体在图像中的位置信息（矩形框的坐标值表示，Xmin、Ymin、Xmax、Ymax）。

早期，传统目标检测算法还没有使用深度学习，一般分为三个阶段：区域选取、特征提取、特征分类。

区域选取：采用滑动窗口(Sliding Windows)算法，选取图像中可能出现物体的位置，这种算法会存在大量冗余框，并且计算复杂度高。
特征提取：通过手工设计的特征提取器（如SIFT和HOG等）进行特征提取。
特征分类：使用分类器(如SVM)对上一步提取的特征进行分类。

传统算法HOG+SVM的作用如下：

2014年的R-CNN（Regions with CNN features）使用深度学习实现目标检测，从此拉开了深度学习做目标检测的序幕。目标检测大致可以分为一阶段(One Stage)模型和二阶段(Two Stage)模型。目标检测的一阶段模型是指没有独立地提取候选区域(Region Proposal)，直接输入图像得到图中存在的物体类别和相应的位置信息。典型的一阶段模型有SSD(Single Shot multibox-Detector)、YOLO(You Only Look Once)系列模型等。二阶段模型是有独立地候选区域选取，要先对输入图像筛选出可能存在物体的候选区域，然后判断候选区域中是否存在目标，如果存在输出目标类别和位置信息。经典的二阶段模型有R-CNN、SPPNet、Fast R-CNN、Faster R-CNN

下图总结了目标检测中一些经典模型的发展历程：

一般来说，一阶段模型在计算效率上有优势，两阶段在检测精度上有优势。对于一阶段和二阶段模型在速度上和精度上的差异，一般有以下原因：

1. 多数一阶段模型是利用预设的锚框（Anchor Box）来捕捉图像可能存在物体的区域，图像中包含物体的框远少于总共的锚框，因而在训练分类器时正负样本数目极不平衡，这会导致分类器训练的效果不好。

2. 二阶段模型在会修正候选框的位置，带来更高的定位精度，同时也增加了模型复杂度。

接下来，简单介绍二阶段模型的发展过程。

R-CNN

首先使用无监督的选择性搜索(Selective Search, SS)方法将输入图像中颜色、纹理相近的区域合并，产生2000个候选区域；

然后截取这些候选区域相应的图像，裁剪缩放至固定的尺寸，依次送入CNN特征提取网络提取特征；

特征送入每一类的SVM分类器，判断是否属于此类；

使用线性分类器修正框位置和大小，最后对检测结果进行非极大值抑制（Non-Maximum Suppression,NMS）。

SPPNet

在RCNN中，要对候选区域裁剪缩放至固定的尺寸，会破坏截取图像的长宽比，损失一些信息。针对以上问题，SPPNet 提出了空间金字塔池化(Spatial Pyramid Pooling)层，该层置于 CNN的末端，输入不需要缩放至指定的大小。下图第一行是 R-CNN，第二行是 SPPNet，对比可以发现它们的区别。

SPPNet 的思路是对于任意大小的 feature map 首先分成 16、4、1 个块，然后在每个块上最大池化，池化后的特征拼接得到一个固定维度的输出。

Fast R-CNN

Fast R-CNN 的思路与 SPPNet 一致，区别在于 Fast R-CNN 使用感兴趣区域池化( Region-of-Interest Pooling )而非空间金字塔池化。Fast R-CNN 相比 R-CNN 使用全连接网络代替之前的 SVM 分类器和线性回归器进行物体分类和检测框的修正。Fast R-CNN 有两个输出，一个是通过 softmax 层进行类别预测，另一个输出物体的检测框。

Faster R-CNN

Faster R-CNN 在 Fast R-CNN 的基础上，将其最耗时的候选区域提取用一个区域候选网络（Region Proposal Network，RPN）进行替代。在 faster R-CNN 中，一幅输入图像先由 RPN 提取候选区域，再取出各个候选区域对应的特征图，送入 Fast R-CNN (独立于 RPN 的后半部分)进行物体分类和位置回归。

Region-CNN (区域卷积神经网络) 系列将目标检测问题归结为分类问题，即先寻找目标可能存在的区域（Bounding box），然后对这些Box分类，从而确定目标。YoLo 则将目标检测问题转换为一个回归问题（Regreesion problem），直接预测出 boudning box 和相关的类别信息。YoLo 是一个可以端到端训练的单个网络（single network），它不需要单独的搜索 Region Proposals，也不需要单独的 Classifier，因此其检测速度特别快，YoLo 可以达到 45 FPS，而 Fast YoLo 可以达到 155FPS。YoLo 对背景的识别效果较好，且有一定的迁移性，但是 YoLo 最大的问题是对小目标的检测不准确。