Faster RCNN
摘要
Faster RCNN在Fast RCNN的基础上增加了RPN网络来代替比较耗时的Selective Search。RPN网络和检测网络共享同一张卷积特征图，他同时预测每个位置的前景（背景）概率和每一类相对于锚框的偏移，得到的预测框将送入Fast RCNN的检测头进行进一步的分类和BBOX回归。
对于非常深的VGG-16模型，Faster RCNN在GPU上的帧速率为5fps（包括所有步骤），同时在PASCAL VOC 2007、2012和MS COCO数据集上实现了最先进的对象检测精度，每张图像只有300个建议框。在ILSVRC和COCO 2015竞赛中，Faster R-CNN和RPN是多个赛道第一名获奖作品的基础。
算法流程
RPN网络结构
正向传播
对于特征图上的每个3x3的滑动窗口(实际实现就是用conv3x3 p1 s1)，首先计算窗口中心点在原图上的位置，并计算出k个anchor box
对于anchor的选择，共有三种比例，三种尺度，即每个位置都有9个anchor
感受野
对于特征图上的感受野，骨干网络为ZFNet时，感受野为171；骨干网络为VGG16时，感受野为228(具体计算如下)
有个问题是，无论是VGG/ZF骨干网络，一个位置的感受野最多也就是228x228，那为什么anchor box的尺寸可以设置到256x256甚至512x512？ 在论文中解释是说，通过物体的局部来预测物体是有可能的，实际上这么设置表现也确实有所提升（
anchor->proposal
正负样本选择
训练时，每个mini-batch，即每张图片随机选择256个anchor，这些anchor中正负样本比例大约是1:1。如果正样本数目不足128，那就用负样本补足到256.
正负样本定义如下：
正样本：①和某个GT Box的IoU大于0.7
②是和某个GT Box的IoU最大的anchor(就是对第一条规则的补充，避免出现某个GT Box没有分配anchor)
负样本：和所有的GT Box的IoU都小于0.3
RPN 损失
RPN网络的损失分为两部分，分类损失和边界框损失。分类主要是衡量预测框中是否含有物体(类似于YOLO系列中的objectness)，边界框损失就是简单的回归损失。
分类损失有两种实现：
如果每个anchor只有一个预测值，那么就使用BCE二元交叉熵损失；
如果每个anchor有两个预测值，那么就使用Softmax Cross Entropy。
边界框回归损失和Fast RCNN一样，都是用SmoothL1 Loss.标注值t*的计算参考RCNN中的实现。
Detect Loss
检测网络的损失和Faster-RCNN网络的损失一摸一样。这里不再赘述。
网络训练
现在可以直接采用RPN loss+Fast R-CNN Loss联合训练网络
自己的一点理解
从损失函数来看，Faster R-CNN和YOLO挺像的(应该是YOLO借鉴的ROI思想)。
在YOLO系列中，对于每个grid cell会预测k个anchor(since v2)，对于每个anchor会预测一个置信度(objectness)，边界框偏移和类别预测。这里的类别预测同v1一样，是条件概率，即在置信度基础上的概率。
而在Faster R-CNN中，置信度和类别预测被拆开成了两个网络，RPN网络负责预测置信度和边界框偏移；Fast R-CNN网络负责预测类别和边界框偏移。
RPN网络提供Proposal，其实就是在置信度的基础上筛选出一些质量高的锚框(当然还需要根据边界偏移调整获得最后的region proposal)。
Fast R-CNN接到Proposal后，根据它在特征图上的映射获得特征矩阵，再通过RoI pooling层获得获得固定大小的矩阵，送入全连接层预测类别和bbox回归。那么这里的类别同样可以理解成条件概率，因为得到的候选框是经过RPN网络筛选过的，即在置信度满足一定条件时预测出的概率。
所以YOLO系列其实就是将RPN网络和Fast R-CNN网络进行了合并。至于锚框生成，区别于RPN网络在特征图上通过滑动窗口生成，YOLO更加简单粗暴，直接将原图分割并在每个单元上生成锚框。
