昇思学习打卡-11-SSD目标检测

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文章目录

模型介绍
模型的特点
数据采样
网络结构
损失函数
- 公式
- 实现
NMS
训练过程

模型介绍

SSD是单阶段的目标检测算法，通过卷积神经网络进行特征提取，取不同的特征层进行检测输出，所以SSD是一种多尺度的检测方法。在需要检测的特征层，直接使用一个3 ×3卷积，进行通道的变换。SSD采用了anchor的策略，预设不同长宽比例的anchor，每一个输出特征层基于anchor预测多个检测框（4或者6）。采用了多尺度检测方法，浅层用于检测小目标，深层用于检测大目标。

模型的特点

多尺度检测

在SSD的网络结构图中我们可以看到，SSD使用了多个特征层，一共6种不同的特征图尺寸。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。多尺度检测的方式，可以使得检测更加充分（SSD属于密集检测），更能检测出小目标。
采用卷积进行检测

与YOLO最后采用全连接层不同，SSD直接采用卷积对不同的特征图来进行提取检测结果。对于形状为m×n×p的特征图，只需要采用3×3×p这样比较小的卷积核得到检测值。
预设anchor

在YOLOv1中，直接由网络预测目标的尺寸，这种方式使得预测框的长宽比和尺寸没有限制，难以训练。在SSD中，采用预设边界框，我们习惯称它为anchor（在SSD论文中叫default bounding boxes），预测框的尺寸在anchor的指导下进行微调。

数据采样

部分实现

import cv2
import numpy as np

def _rand(a=0., b=1.):
    return np.random.rand() * (b - a) + a

def intersect(box_a, box_b):
    """Compute the intersect of two sets of boxes."""
    max_yx = np.minimum(box_a[:, 2:4], box_b[2:4])
    min_yx = np.maximum(box_a[:, :2], box_b[:2])
    inter = np.clip((max_yx - min_yx), a_min=0, a_max=np.inf)
    return inter[:, 0] * inter[:, 1]

def jaccard_numpy(box_a, box_b):
    """Compute the jaccard overlap of two sets of boxes."""
    inter = intersect(box_a, box_b)
    area_a = ((box_a[:, 2] - box_a[:, 0]) *
              (box_a[:, 3] - box_a[:, 1]))
    area_b = ((box_b[2] - box_b[0]) *
              (box_b[3] - box_b[1]))
    union = area_a + area_b - inter
    return inter / union

def random_sample_crop(image, boxes):
    """Crop images and boxes randomly."""
    height, width, _ = image.shape
    min_iou = np.random.choice([None, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9])

    if min_iou is None:
        return image, boxes

    for _ in range(50):
        image_t = image
        w = _rand(0.3, 1.0) * width
        h = _rand(0.3, 1.0) * height
        # aspect ratio constraint b/t .5 & 2
        if h / w < 0.5 or h / w > 2:
            continue

        left = _rand() * (width - w)
        top = _rand() * (height - h)
        rect = np.array([int(top), int(left), int(top + h), int(left + w)])
        overlap = jaccard_numpy(boxes, rect)

        # dropout some boxes
        drop_mask = overlap > 0
        if not drop_mask.any():
            continue

        if overlap[drop_mask].min() < min_iou and overlap[drop_mask].max() > (min_iou + 0.2):
            continue

        image_t = image_t[rect[0]:rect[2], rect[1]:rect[3], :]
        centers = (boxes[:, :2] + boxes[:, 2:4]) / 2.0
        m1 = (rect[0] < centers[:, 0]) * (rect[1] < centers[:, 1])
        m2 = (rect[2] > centers[:, 0]) * (rect[3] > centers[:, 1])

        # mask in that both m1 and m2 are true
        mask = m1 * m2 * drop_mask

        # have any valid boxes? try again if not
        if not mask.any():
            continue

        # take only matching gt boxes
        boxes_t = boxes[mask, :].copy()
        boxes_t[:, :2] = np.maximum(boxes_t[:, :2], rect[:2])
        boxes_t[:, :2] -= rect[:2]
        boxes_t[:, 2:4] = np.minimum(boxes_t[:, 2:4], rect[2:4])
        boxes_t[:, 2:4] -= rect[:2]

        return image_t, boxes_t
    return image, boxes

def ssd_bboxes_encode(boxes):
    """Labels anchors with ground truth inputs."""

    def jaccard_with_anchors(bbox):
        """Compute jaccard score a box and the anchors."""
        # Intersection bbox and volume.
        ymin = np.maximum(y1, bbox[0])
        xmin = np.maximum(x1, bbox[1])
        ymax = np.minimum(y2, bbox[2])
        xmax = np.minimum(x2, bbox[3])
        w = np.maximum(xmax - xmin, 0.)
        h = np.maximum(ymax - ymin, 0.)

        # Volumes.
        inter_vol = h * w
        union_vol = vol_anchors + (bbox[2] - bbox[0]) * (bbox[3] - bbox[1]) - inter_vol
        jaccard = inter_vol / union_vol
        return np.squeeze(jaccard)

    pre_scores = np.zeros((8732), dtype=np.float32)
    t_boxes = np.zeros((8732, 4), dtype=np.float32)
    t_label = np.zeros((8732), dtype=np.int64)
    for bbox in boxes:
        label = int(bbox[4])
        scores = jaccard_with_anchors(bbox)
        idx = np.argmax(scores)
        scores[idx] = 2.0
        mask = (scores > matching_threshold)
        mask = mask & (scores > pre_scores)
        pre_scores = np.maximum(pre_scores, scores * mask)
        t_label = mask * label + (1 - mask) * t_label
        for i in range(4):
            t_boxes[:, i] = mask * bbox[i] + (1 - mask) * t_boxes[:, i]

    index = np.nonzero(t_label)

    # Transform to tlbr.
    bboxes = np.zeros((8732, 4), dtype=np.float32)
    bboxes[:, [0, 1]] = (t_boxes[:, [0, 1]] + t_boxes[:, [2, 3]]) / 2
    bboxes[:, [2, 3]] = t_boxes[:, [2, 3]] - t_boxes[:, [0, 1]]

    # Encode features.
    bboxes_t = bboxes[index]
    default_boxes_t = default_boxes[index]
    bboxes_t[:, :2] = (bboxes_t[:, :2] - default_boxes_t[:, :2]) / (default_boxes_t[:, 2:] * 0.1)
    tmp = np.maximum(bboxes_t[:, 2:4] / default_boxes_t[:, 2:4], 0.000001)
    bboxes_t[:, 2:4] = np.log(tmp) / 0.2
    bboxes[index] = bboxes_t

    num_match = np.array([len(np.nonzero(t_label)[0])], dtype=np.int32)
    return bboxes, t_label.astype(np.int32), num_match

def preprocess_fn(img_id, image, box, is_training):
    """Preprocess function for dataset."""
    cv2.setNumThreads(2)

    def _infer_data(image, input_shape):
        img_h, img_w, _ = image.shape
        input_h, input_w = input_shape

        image = cv2.resize(image, (input_w, input_h))

        # When the channels of image is 1
        if len(image.shape) == 2:
            image = np.expand_dims(image, axis=-1)
            image = np.concatenate([image, image, image], axis=-1)

        return img_id, image, np.array((img_h, img_w), np.float32)

    def _data_aug(image, box, is_training, image_size=(300, 300)):
        ih, iw, _ = image.shape
        h, w = image_size
        if not is_training:
            return _infer_data(image, image_size)
        # Random crop
        box = box.astype(np.float32)
        image, box = random_sample_crop(image, box)
        ih, iw, _ = image.shape
        # Resize image
        image = cv2.resize(image, (w, h))
        # Flip image or not
        flip = _rand() < .5
        if flip:
            image = cv2.flip(image, 1, dst=None)
        # When the channels of image is 1
        if len(image.shape) == 2:
            image = np.expand_dims(image, axis=-1)
            image = np.concatenate([image, image, image], axis=-1)
        box[:, [0, 2]] = box[:, [0, 2]] / ih
        box[:, [1, 3]] = box[:, [1, 3]] / iw
        if flip:
            box[:, [1, 3]] = 1 - box[:, [3, 1]]
        box, label, num_match = ssd_bboxes_encode(box)
        return image, box, label, num_match

    return _data_aug(image, box, is_training, image_size=[300, 300])

网络结构

SSD网络由VGG16 Base Layer、Extra Feature Layer、Detection Layer、NMS、Anchor几部分构成
在这里插入图片描述
anchor会对应c个类别和4个回归偏移量是如何来的？下面重点理解一下Anchor

概念：Anchor，也称为锚框，是一组预设的边界框，用于在训练时构建真实的边框位置相对于预设边框的偏移。这些预设的边界框具有不同的尺寸和长宽比，旨在覆盖图像中可能出现的各种目标大小和形状。
作用：Anchor的主要作用是作为目标检测的起点，通过在这些预设的边界框上进行精细化的调整，使得模型能够更准确地预测出目标的实际位置和类别。

损失函数

公式

使用2个损失函数，位置损失函数和置信度损失函数
在这里插入图片描述
其中：

N 是先验框的正样本数量；
c 为类别置信度预测值;
l 为先验框的所对应边界框的位置预测值;
g 为ground truth的位置参数
α 用以调整confidence loss和location loss之间的比例，默认为1。

位置损失函数使用smooth l1损失，位置信息为解码后的位置信息
在这里插入图片描述
置信度损失函数是多类置信度上的softmax损失

实现

def class_loss(logits, label):
    """Calculate category losses."""
    label = ops.one_hot(label, ops.shape(logits)[-1], Tensor(1.0, ms.float32), Tensor(0.0, ms.float32))
    weight = ops.ones_like(logits)
    pos_weight = ops.ones_like(logits)
    sigmiod_cross_entropy = ops.binary_cross_entropy_with_logits(logits, label, weight.astype(ms.float32), pos_weight.astype(ms.float32))
    sigmoid = ops.sigmoid(logits)
    label = label.astype(ms.float32)
    p_t = label * sigmoid + (1 - label) * (1 - sigmoid)
    modulating_factor = ops.pow(1 - p_t, 2.0)
    alpha_weight_factor = label * 0.75 + (1 - label) * (1 - 0.75)
    focal_loss = modulating_factor * alpha_weight_factor * sigmiod_cross_entropy
    return focal_loss

NMS

训练过程是不需要用到非极大值抑制(NMS)，
推理时，例如输入一张图片要求输出框的时候，需要用到NMS过滤掉那些重叠度较大的预测框。
非极大值抑制的流程如下：

根据置信度得分进行排序
选择置信度最高的比边界框添加到最终输出列表中，将其从边界框列表中删除
计算所有边界框的面积
计算置信度最高的边界框与其它候选框的IoU
删除IoU大于阈值的边界框
重复上述过程，直至边界框列表为空

训练过程

在这里插入图片描述

先验框匹配
在训练过程中，首先要确定训练图片中的ground truth（真实目标）与哪个先验框来进行匹配，与之匹配的先验框所对应的边界框将负责预测它。
在这里插入图片描述

此章节学习到此结束，感谢昇思平台。

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