RPN架构及其PyTorch实现

RPN（Region Proposal Network）

引言
RPN架构
- RPN
- Anchor 生成
- Proposals 的选择
- loss 的计算
- FPN for RPN
- - RPN网络对于正负样本的选择
- FPN for Fast R-CNN
RPN架构及其Pytorch实现
- 基于RPN产生~20k个候选框
- ~20k个候选框(1)：RPN
- ~20k个候选框(2)：Fast R-CNN
- RPN主体部分
- RPN部分的损失函数

引言

由于

RPN架构

RPN

Anchor 的生成方法
如何选择 anchor 做为 proposals
loss 的计算，在计算 loss 之前需要从 anchor 中选择正负样本

其实RPN本身就可以做为目标检测的 Head

Anchor 生成

那么 proposal是如何产生的呢？是通过 RPNHead对 Anchor 的预测得分和位置回归得到的。Anchor 是在 feature_map 的每一个位置生成多个不同大小不同长宽比的矩形框。而且对于不同层的 feature_map 他们的感受野是不一样的，所以设置的 anchor 的大小也不一样　比如下面的参数定义了在五层不同大小的feature_map 上生成的 anchor 大小分别为 32,64,256,512。这里是对应到输入图像大小上的边长。由于 anchor 的生成是提前定义的，所以相当于超参数一样，所以也有些方法来改进这里的anchor 的生成方法。

Proposals 的选择

PRNHead会预测在 feanture_map 的每个点上给每一个 anchor 预测一个前景得分。同时还会预测对应的位置。Proposal 的选择有两步，第一步是在每一层的 feature_map 上选择一定数量得分最高的 anchor, 然后对所有的选择做 NMS，NMS的结果选择前 n 个作为最终的 proposal。
逻辑相对简单，但是在pytorch 里相当于要遍历每张图的每个 feature_map，还有就是一些特殊情况的处理，比如对超出图像边缘的 anchor 做剪切等。

loss 的计算

要计算 loss 就需要有标注数据，这里的预测对象是 anchor 的得分和位置回归，我们有的是真实目标的位置和标签。所以在 Fast R-CNN中，定了一个策略(规则)来对所有的 anchor 打上标签。策略和 iou相关，这里的可以简单看下 iou的计算方法，其想法是假设他们相交，尝试去计算相交区域的左上角和右下角，当这个区域有边小于零的时候表示他们不相交区域为 0。

area1 = box_area(boxes1)
area2 = box_area(boxes2)
lt = torch.max(boxes1[:, None, :2], boxes2[:, :2]) # [N,M,2]
rb = torch.min(boxes1[:, None, 2:], boxes2[:, 2:]) # [N,M,2]
wh = (rb - lt).clamp(min=0) # [N,M,2]
inter = wh[:, :, 0] * wh[:, :, 1] # [N,M]
iou = inter / (area1[:, None] + area2 - inter)
return iou

有了样本还需要计算回归的目标参数，然后再计算 loss，loss的计算和proposals的生成是没有直接相关的，通过 loss的反向传播来修改得分来得到更好的 proposal 所以很多计算都只是在训练过程中用到，比如对 anchor 打上标签的操作。

接下来的内容最好联系下图Faster R-CNN网络进行学习

先在图像上进行完特征提取操作后，得到FPN的结果，结果即FPN最终经过3x3卷积融合输出后的几层特征图，即得上图中的Feature Map。接着，在FPN的结果Feature Map上进行操作：像Faster R-CNN中的RPN一样，先在上进行3×3的卷积操作，然后在此结果上，两支并行的1×1卷积核分别卷积出来分类（前背景）与框位置信息（xywh）。

然后我们把RPN的结果拿出来进行RoIpooling后进行分类。

RPN即一个用于目标检测的一系列滑动窗口。具体地，RPN是先进行3×3，然后跟着两条并行的1×1卷积，分布产生前背景分类和框位置回归，我们把这个组合叫做网络头部network head。

FPN for RPN

但是前背景分类与框位置回归是在anchor的基础上进行的，简言之即我们先人为定义一些框，然后RPN基于这些框进行调整即可。在SSD中anchor叫prior，更形象一些。为了回归更容易，anchor在Faster R-CNN中预测了3种大小scale，宽高3种比率ratio{1:1，1:2，2:1}，共3*3=9种anchor框。

在FPN中我们同样用了一个3×3和两个并行的1×1，但是是在每个level上都进行了RPN这种操作。既然FPN已经有不同大小的特征scale了，那么我们就没必要像Faster R-CNN一样采用3种大小scale的anchor了，因此固定每层特征图对应的anchor尺寸，再采用3种比率的框就行。也就是说，作者在每一个金字塔层级应用了单尺度的anchor，{P2, P3, P4, P5, P6}分别对应的anchor尺度为{32*32, 64*64, 128*128, 256*256, 512*512 }，当然目标不可能都是正方形，因此仍然使用三种比例```{1:2, 1:1, 2:1}````，所以金字塔结构中共有15种anchors。

RPN网络对于正负样本的选择

RPN网络在训练时需要有anchor是前景或背景的标签。因此，需要对anchor进行label分类，将其分为正负样本。其原理和Faster R-CNN里一样。
具体方法如下：anchor与gt的IoU＞0.7就是正样本（label=1），IoU＜0.3是负样本（label=0），其余介于0.3和0.7直接抛弃，不参与训练（label=-1）。例如，在Faster R-CNN中拿256个anchors训练后得到W×H×9个roi。

此外，每个级level的头部的参数是共享的，共享的原因是实验验证出来的。实验证明，虽然每级的feature大小不一样，但是共享与不共享头部参数的准确率是相似的。这个结果也说明了其实金字塔的每级level都有差不多相似的语义信息，而不是普通网络那样语义信息区别很大。

FPN for Fast R-CNN

RPN网络提取到特征后，Fast R-CNN用RoIpool抽取出RoI后进行分类，Fast R-CNN中RoIpooling用来提取特征。Fast R-CNN在单scale特征上有好的表现。为了使用FPN，需要把各个scale的RoI赋给金字塔级level。Fast R-CNN中的ROI Pooling层使用RPN的结果和特征图作为输入。经过特征金字塔，我们得到了许多特征图，作者认为，不同层次的特征图上包含的物体大小也不同，因此，不同尺度的ROI，使用不同特征层作为ROI pooling层的输入。大尺度ROI就用后面一些的金字塔层，比如P5；小尺度ROI就用前面一点的特征层，比如P4。

对于原图上W×H 的RoI，需要选择一层的feature map来对他RoIpooling，选择的feature map的层数P_k的选择依据是:
224是ImageNet预训练的大小，k0是基准值，设置为5或4，代表P5层的输出（原图大小就用P5层），W和H是ROI区域的长和宽，假设ROI是112 * 112的大小，那么k = k0-1 = 5-1 = 4，意味着该ROI应该使用P4的特征层。k值做取整处理。这意味着如果RoI的尺度变小（比如224的1/2），那么它应该被映射到一个精细的分辨率水平。

import torch
import torch.nn.functional as F
import torch.nn as nnclass FPN(nn.Module):def __init__(self,in_channel_list,out_channel):super(FPN, self).__init__()self.inner_layer=[]self.out_layer=[]for in_channel in in_channel_list:self.inner_layer.append(nn.Conv2d(in_channel,out_channel,1))self.out_layer.append(nn.Conv2d(out_channel,out_channel,kernel_size=3,padding=1))# self.upsample=nn.Upsample(size=, mode='nearest')def forward(self,x):head_output=[]corent_inner=self.inner_layer[-1](x[-1])head_output.append(self.out_layer[-1](corent_inner))for i in range(len(x)-2,-1,-1):pre_inner=corent_innercorent_inner=self.inner_layer[i](x[i])size=corent_inner.shape[2:]pre_top_down=F.interpolate(pre_inner,size=size)add_pre2corent=pre_top_down+corent_innerhead_output.append(self.out_layer[i](add_pre2corent))return list(reversed(head_output))if __name__ == '__main__':fpn=FPN([10,20,30],5)x=[]x.append(torch.rand(1, 10, 64, 64))x.append(torch.rand(1, 20, 16, 16))x.append(torch.rand(1, 30, 8, 8))c=fpn(x)print(c)

RPN架构及其Pytorch实现

如下图是Faster R-CNN给出的RPN结构：

基于RPN产生~20k个候选框

先来看产生这H×W×9个Anchor的代码。
首先针对特征图的左上角顶点产生 9 个 Anchor。

# 针对特征图左上角顶点产生anchor
def generate_base_anchor(base_size=16, ratios=None, anchor_scale=None):"""这里假设得到的特征图的大小为w×h，每个位置共产生9个anchor，所以一共产生的anchor数为w×h×9。原论文中anchor的比例为1:2、2:1和1:1，尺度为128、256和512（相对于原图而言）。所以在16倍下采样的特征图的上的实际尺度为8、16和32。"""# anchor的比例和尺度if anchor_scale is None:anchor_scale = [8, 16, 32]if ratios is None:ratios = [0.5, 1, 2]# 特征图的左上角位置映射回原图的位置py = base_size / 2px = base_size / 2# 初始化变量(9,4)，这里以特征图的最左上角顶点为例产生anchorbase_anchor = np.zeros((len(ratios) * len(anchor_scale), 4), dtype=np.float32)# 循环产生9个anchorfor i in range(len(ratios)):for j in range(len(anchor_scale)):# 生成高和宽（相对于原图而言）# 以i=0、j=0为例，h=16×8×(0.5)^1/2、w=16×8×1/0.5，则h×w=128^2h = base_size * anchor_scale[j] * np.sqrt(ratios[i])w = base_size * anchor_scale[j] * np.sqrt(1. / ratios[i])# 当前生成的anchor的索引(0~8)index = i * len(anchor_scale) + j# 计算anchor的左上角和右下角坐标base_anchor[index, 0] = py - h / 2base_anchor[index, 1] = px - w / 2base_anchor[index, 2] = py + h / 2base_anchor[index, 3] = px + w / 2# 相对于原图大小的anchor(x_min,y_min,x_max,y_max)return base_anchor

调用上面函数，看一下打印的结果：

以结果图的第一行为例说明(现在先不用在意那些越界的Anchor)。首先计算它的宽和高：

然后计算它的面积：

由该Anchor的宽高和面积我们可以看到，它是尺寸为128、比例为1:2的Anchor。上面函数是针对特征图的左上角顶点映射回原图产生的Anchor，我们需要整幅特征图的结果。则定义如下函数：

def generate_all_base_anchor(base_anchor, feat_stride, height, width):"""height*feat_stride/width*feat_stride相当于原图的高/宽，相当于从0开始，每隔feat_stride=16采样一个位置，这相当于在16倍下采样的特征图上逐步采样。这个过程用于确定每组anchor的中心点位置。"""# 纵向偏移量[0,16,32,...]shift_y = np.arange(0, height * feat_stride, feat_stride)# 横向偏移量[0,16,32,...]shift_x = np.arange(0, width * feat_stride, feat_stride)# np.meshgrid的作用是将两个一维向量变为两个二维矩阵。其中，返回的第一个二维# 矩阵的行向量为第一个参数、重复次数为第二个参数的长度；第二个二维矩阵的列向量# 为第二个参数、重复次数为第一个参数的长度。即得到的shift_x和shift_y如下：# shift_x = [[0,16,32,...],#            [0,16,32,...],#            [0,16,32,...],#            ...]# shift_y = [[0, 0, 0,... ],#            [16,16,16,...],#            [32,32,32,...],#            ...]# 注意此时shift_x和shift_y都等于特征图的尺度，且每一个位置的之对应于特征图上# 的一个点，两个矩阵的值的组合对应于特征图上的点映射回原图的左上角坐标。shift_x, shift_y = np.meshgrid(shift_x, shift_y)# np.ravel()将矩阵展开成一个一维向量，即shift_x和shift_y展开后的形式分别为：# [0,16,32,...,0,16,32,..,0,16,32,...]，(1,w*h)# [0,0,0,...,16,16,16,...,32,32,32,...]，(1,w*h)# axis=0相当于按行堆叠，得到的形状为(4,w*h)；# axis=1相当于按列堆叠，得到的形状为(w*h,4)。该语句得到的shift的值为：# [[0,  0, 0,  0],#  [16, 0, 16, 0],#  [32, 0, 32, 0],#  ...]shift = np.stack((shift_y.ravel(), shift_x.ravel(),shift_y.ravel(), shift_x.ravel()), axis=1)# 每个位置anchor数num_anchor_per_loc = base_anchor.shape[0]# 获取特征图上的总位置数num_loc = shift.shape[0]# 用generate_base_anchor产生的左上角位置的anchor加上偏移量即可得到# 后面anchor的信息（这里只针对anchor中心点位置的改变，不改变anchor的# 宽和高）。我们首先定义最终anchor的形状，我们知道应该为w*h*9，则所有# anchor的存储的变量为(w*h*9,4)。首先将首位置产生的anchor形状改变为# (1,9,4)，再将shift的形状改变为(1,w*h,4)。并通过transpose函数改变# shift的形状为(w*h,1,4)，然后使用广播机制将二者相加，即二者的形状分# 别为(1,num_anchor_per_loc,4)+(num_loc,1,4)，最终相加得到的结果# 形状为(num_loc,num_anchor_per_loc,4)。这里，相加的第一项为：# [[[x_min_0,y_min_0,x_max_0,y_max_0],#   [x_min_1,y_min_1,x_max_1,y_max_1],#   ...,#   [x_min_8,y_min_8,x_max_8,y_max_8]]]# 相加的第二项为：# [[[0,  0, 0,  0]],#  [[0, 16, 0, 16]],#  [[0, 32, 0, 32]],#  ...]# 在相加的过程中，我们首先将两个加数展开成目标形状。具体地，第一个则可以# 展开为：# [[[x_min_0,y_min_0,x_max_0,y_max_0],#   [x_min_1,y_min_1,x_max_1,y_max_1],#   ...,#   [x_min_8,y_min_8,x_max_8,y_max_8]],#  [[x_min_0,y_min_0,x_max_0,y_max_0],#   [x_min_1,y_min_1,x_max_1,y_max_1],#   ...,#   [x_min_8,y_min_8,x_max_8,y_max_8]],#  [[x_min_0,y_min_0,x_max_0,y_max_0],#   [x_min_1,y_min_1,x_max_1,y_max_1],#   ...,#   [x_min_8,y_min_8,x_max_8,y_max_8]],#   ...]# 第二个可以展开为：# [[[0,  0, 0,  0],#   [0,  0, 0,  0],#   ...],#  [[0, 16, 0, 16],#   [0, 16, 0, 16],#   ...],#  [[0, 32, 0, 32],#  [0, 32, 0, 32],#  ...],#  ...]# 现在二者维度一致，可以直接相加。得到的结果的形状为：# (num_loc,num_anchor_per_loc,4)anchor = base_anchor.reshape((1, num_anchor_per_loc, 4)) + \shift.reshape((1, num_loc, 4)).transpose((1, 0, 2))# 将anchor的形状reshape为最终的形状(num_loc*num_anchor_per_loc,4)。anchor = anchor.reshape((num_loc * num_anchor_per_loc, 4)).astype(np.float32)return anchor

上面代码都有非常详细的注释，我们再来看其中几个比较重要的函数。
np.arange(start=0, end, step=1)：以步长为step生成[start, end)范围内的一个等差数组。如：

np.meshgrid(x, y)：以向量x和向量y为基础返回一个(2, y.length(), x.length())矩阵。这里，如果参数不是一维向量，该函数会首先将其按行展开为一维向量。并且，元素的展开方式有所不同：第一个参数按行展开，第二个参数按列展开。如：

np.stack(arrays, axis=0)：在axis=0的维度上将arrays进行堆叠。我们首先以一维向量为例：

由于a只有一维，在对自身使用stack函数时不会产生变化。现在做如下变化：

我们可以看到，当axis=0时，相当于将a按行堆叠；当axis=1时，相当于将a按列堆叠。其他高维的向量亦如此。

transpose()：将矩阵按照某种规律转置，转置方法由具体的参数而定。如：

我们首先将a 的形状固定为(1, 2, 4)，此时调用函数transpose得到b。由于原a.shape = (1, 2, 3)分别对应于第零维、第一维和第二维，即0、1、2；transpose(2,0,1)相当于把原第零维的元素放到第二个位置、将第一维的元素放到第三个位置、将第二维的元素放到第一个位置，即对应于shape: (1, 2, 4)=>(4, 1, 2)。其他的变换亦如此。

~20k个候选框(1)：RPN

由RPN产生约20000个候选框后，一方面，挑选出一部分用于训练 RPN。具体地，从约20000个候选框中选出256个候选框，即128个正样本和128个负样本。

挑选过程如下：

对于每个真实框，选择和他具有最大交并比的候选框作为正样本。显然，由于图中的标注目标偏少，无法满足训练要求，我们再进行以下步骤；

对于剩下的候选框，如果其和某个真实框的交并比大于设定的阈值，我们也认为它的正样本；

同时设定一个负样本阈值，如果候选框同真实框的交兵比小于阈值，则作为负样本。
—注意，在选择正样本和负样本时，要严格满足数量的要求。

class AnchorTargetCreator(object):def __init__(self, n_sample=256, pos_iou_thresh=0.7, neg_iou_thresh=0.3, pos_ratio=0.5):# 总样本采样数self.n_sample = n_sample# 正、负样本的阈值self.pos_iou_thresh = pos_iou_threshself.neg_iou_thresh = neg_iou_thresh# 正负样本采样比率self.pos_ratio = pos_ratiodef __call__(self, bbox, anchor, img_size):img_H, img_W = img_size# ~20k个anchorn_anchor = len(anchor)# 只保留合法的Anchorinside_index = _get_inside_index(anchor, img_H, img_W)anchor = anchor[inside_index]# 返回每个anchor与bbox对应的最大交并比索引以及正负样本采样结果argmax_ious, label = self._create_label(inside_index, anchor, bbox)# 计算回归目标loc = bbox2loc(anchor, bbox[argmax_ious])# 根据索引得到候选框label = _unmap(label, n_anchor, inside_index, fill=-1)loc = _unmap(loc, n_anchor, inside_index, fill=0)return loc, labeldef _create_label(self, inside_index, anchor, bbox):# label: 1表示正样本索引，0表示负样本，-1表示忽略label = np.empty((len(inside_index),), dtype=np.int32)label.fill(-1)# 返回每个anchor与bbox对应的最大交并比和索引以及由第一步产生的正样本索引argmax_ious, max_ious, gt_argmax_ious = self._calc_ious(anchor, bbox, inside_index)# 最大交并比小于阈值，首先选择为负样本label[max_ious < self.neg_iou_thresh] = 0# 第一步产生的正样本label[gt_argmax_ious] = 1# 第二步产生的正样本label[max_ious >= self.pos_iou_thresh] = 1# 如果正样本数量大于128，再次随机采样n_pos = int(self.pos_ratio * self.n_sample)pos_index = np.where(label == 1)[0]if len(pos_index) > n_pos:disable_index = np.random.choice(pos_index, size=(len(pos_index) - n_pos), replace=False)label[disable_index] = -1# 如果负样本数量大于128，再次随机采样n_neg = self.n_sample - np.sum(label == 1)neg_index = np.where(label == 0)[0]if len(neg_index) > n_neg:disable_index = np.random.choice(neg_index, size=(len(neg_index) - n_neg), replace=False)label[disable_index] = -1return argmax_ious, labeldef _calc_ious(self, anchor, bbox, inside_index):# 计算anchor和bbox之间的交并比，返回形状为(len(anchor),len(bbox))# 即一个二维矩阵反应anchor与bbox两两之间的交并比大小ious = bbox_iou(anchor, bbox)# 对于每一个anchor，求出与之有最大交并比的bbox的索引# axis=1按列求最大值，返回形状为(1,len(bbox))argmax_ious = ious.argmax(axis=1)max_ious = ious[np.arange(len(inside_index)), argmax_ious]# 对于每一个bbox，求出与之有最大交并比的anchor的索引# axis=0按行求最大值，返回形状为(len(anchor),1)gt_argmax_ious = ious.argmax(axis=0)gt_max_ious = ious[gt_argmax_ious, np.arange(ious.shape[1])]# 对应于挑选正样本的第一步，与bbox有最大交并比的anchor为正样本，得到其索引gt_argmax_ious = np.where(ious == gt_max_ious)[0]return argmax_ious, max_ious, gt_argmax_ious

其中，bbox2loc为根据真实框和候选框计算偏移的函数。公式如下：

def bbox2loc(src_bbox, dst_bbox):# 预测框(xmin,ymin,xmax,ymax) => (x,y,w,h)height = src_bbox[:, 2] - src_bbox[:, 0]width = src_bbox[:, 3] - src_bbox[:, 1]ctr_y = src_bbox[:, 0] + 0.5 * heightctr_x = src_bbox[:, 1] + 0.5 * width# 真实框(xmin,ymin,xmax,ymax) => (x,y,w,h)base_height = dst_bbox[:, 2] - dst_bbox[:, 0]base_width = dst_bbox[:, 3] - dst_bbox[:, 1]base_ctr_y = dst_bbox[:, 0] + 0.5 * base_heightbase_ctr_x = dst_bbox[:, 1] + 0.5 * base_width# 极小值，保证除数不为零eps = np.finfo(height.dtype).epsheight = np.maximum(height, eps)width = np.maximum(width, eps)# 套公式dy = (base_ctr_y - ctr_y) / heightdx = (base_ctr_x - ctr_x) / widthdh = np.log(base_height / height)dw = np.log(base_width / width)# 将结果堆叠loc = np.vstack((dy, dx, dh, dw)).transpose()return loc

~20k个候选框(2)：Fast R-CNN

由RPN产生约20000个候选框后，另一方面，挑选出一部分用于训练Fast-RCNN。这里，在训练阶段和推理阶段所挑选处理的候选框的数量不同。在训练阶段，挑选出约12k个候选框，利用非极大值抑制得到约2k个候选框；在推理阶段，挑选出约6k个候选框，利用非极大值抑制得到约 0.3k个候选框。这里挑选的规则是候选框的分类置信度。

class ProposalCreator:def __init__(self, parent_model, nms_thresh=0.7, n_train_pre_nms=12000, n_train_post_nms=2000,n_test_pre_nms=6000, n_test_post_nms=300, min_size=16):self.parent_model = parent_modelself.nms_thresh = nms_threshself.n_train_pre_nms = n_train_pre_nmsself.n_train_post_nms = n_train_post_nmsself.n_test_pre_nms = n_test_pre_nmsself.n_test_post_nms = n_test_post_nmsself.min_size = min_sizedef __call__(self, loc, score, anchor, img_size, scale=1.):# 训练阶段和推理阶段使用不同数量的候选框if self.parent_model.training:n_pre_nms = self.n_train_pre_nmsn_post_nms = self.n_train_post_nmselse:n_pre_nms = self.n_test_pre_nmsn_post_nms = self.n_test_post_nms# 根据偏移得到anchor的实际信息roi = loc2bbox(anchor, loc)# 将预测框的宽高限定在预设的范围内roi[:, slice(0, 4, 2)] = np.clip(roi[:, slice(0, 4, 2)], 0, img_size[0])roi[:, slice(1, 4, 2)] = np.clip(roi[:, slice(1, 4, 2)], 0, img_size[1])min_size = self.min_size * scalehs = roi[:, 2] - roi[:, 0]ws = roi[:, 3] - roi[:, 1]keep = np.where((hs >= min_size) & (ws >= min_size))[0]roi = roi[keep, :]score = score[keep]# 排序，得到高置信度部分的候选框order = score.ravel().argsort()[::-1]if n_pre_nms > 0:order = order[:n_pre_nms]roi = roi[order, :]score = score[order]# nms过程，这里不详细展开.pytorch1.2+可以通过from torchvision.ops import nms导入直接使用keep = nms(torch.from_numpy(roi).cuda(), torch.from_numpy(score).cuda(), self.nms_thresh)if n_post_nms > 0:keep = keep[:n_post_nms]roi = roi[keep.cpu().numpy()]# 返回生成的候选框return roi

在最终经由非极大值抑制挑选出候选框后，后面的工作就是Fast-RCNN的内容，这里不再介绍。其中，loc2bbox函数就是bbox2loc函数的逆过程，即根据偏移得到真实框值。

RPN主体部分

RPN共有两个方向的输出。一方面是在RPN部分通过卷积得到两个分支，分别为分类和回归；另一方面产生候选区域作为 Fast-RCNN部分的输入。下面是具体的代码：

class RegionProposalNetwork(nn.Module):def __init__(self, in_channels=512, mid_channels=512, ratios=[0.5, 1, 2],anchor_scales=[8, 16, 32], feat_stride=16,proposal_creator_params=dict(), ):super(RegionProposalNetwork, self).__init__()# 特征图左上角顶点对应的anchorself.anchor_base = generate_anchor_base(anchor_scales=anchor_scales, ratios=ratios)# 下采样倍数self.feat_stride = feat_stride# 产生Fast RCNN的候选框self.proposal_layer = ProposalCreator(self, **proposal_creator_params)n_anchor = self.anchor_base.shape[0]self.conv1 = nn.Conv2d(in_channels, mid_channels, 3, 1, 1)self.score = nn.Conv2d(mid_channels, n_anchor * 2, 1, 1, 0)self.loc = nn.Conv2d(mid_channels, n_anchor * 4, 1, 1, 0)# 权重初始化normal_init(self.conv1, 0, 0.01)normal_init(self.score, 0, 0.01)normal_init(self.loc, 0, 0.01)def forward(self, x, img_size, scale=1.):n, _, hh, ww = x.shape# 产生所有的anchoranchor = _enumerate_shifted_anchor(np.array(self.anchor_base), self.feat_stride, hh, ww)n_anchor = anchor.shape[0] // (hh * ww)# rpn部分的回归分支h = F.relu(self.conv1(x))rpn_locs = self.loc(h)rpn_locs = rpn_locs.permute(0, 2, 3, 1).contiguous().view(n, -1, 4)# rpn部分的分类分支rpn_scores = self.score(h)rpn_scores = rpn_scores.permute(0, 2, 3, 1).contiguous()rpn_softmax_scores = F.softmax(rpn_scores.view(n, hh, ww, n_anchor, 2), dim=4)rpn_fg_scores = rpn_softmax_scores[:, :, :, :, 1].contiguous()rpn_fg_scores = rpn_fg_scores.view(n, -1)rpn_scores = rpn_scores.view(n, -1, 2)# 产生rois部分rois = list()roi_indices = list()for i in range(n):roi = self.proposal_layer(rpn_locs[i].cpu().data.numpy(),rpn_fg_scores[i].cpu().data.numpy(),anchor, img_size,scale=scale)batch_index = i * np.ones((len(roi),), dtype=np.int32)rois.append(roi)roi_indices.append(batch_index)rois = np.concatenate(rois, axis=0)roi_indices = np.concatenate(roi_indices, axis=0)return rpn_locs, rpn_scores, rois, roi_indices, anchor

RPN部分的损失函数

Faster R-CNN整体的损失函数定义如下：

其中，第一部分是分类损失， N_{cls}表示分类分支总计算的样本数。这里， RPN和 Fast R-CNN部分的数值不同；第二部分是回归损失，N_{cls}表示回归分支总计算的样本数。其中，在回归损失部分乘了一个 p_i^*表示回归损失只针对正样本。且分类损失部分使用的交叉熵损失，回归损失部分使用的是SmoothL1损失。

首先来看手动实现SmoothL1损失的部分：

def _smooth_l1_loss(x, t, in_weight, sigma):# 相当于公式中的1/βsigma2 = sigma ** 2# 相当于公式中的|x|diff = in_weight * (x - t)abs_diff = diff.abs()# 相当于公式中的判断条件flag = (abs_diff.data < (1. / sigma2)).float()# 根据|x|的范围选择不同分支计算y = (flag * (sigma2 / 2.) * (diff ** 2) +(1 - flag) * (abs_diff - 0.5 / sigma2))return y.sum()def _fast_rcnn_loc_loss(pred_loc, gt_loc, gt_label, sigma):in_weight = torch.zeros(gt_loc.shape).cuda()in_weight[(gt_label > 0).view(-1, 1).expand_as(in_weight).cuda()] = 1loc_loss = _smooth_l1_loss(pred_loc, gt_loc, in_weight.detach(), sigma)# 通过总参与计算的样本数将损失值归一化loc_loss /= ((gt_label >= 0).sum().float())return loc_loss

然后是计算RPN部分的损失函数的主体部分：

class FasterRCNNTrainer(nn.Module):def __init__(self, faster_rcnn):super(FasterRCNNTrainer, self).__init__()self.faster_rcnn = faster_rcnn# smoothl1损失函数的参数self.rpn_sigma = 3# 得到rpn部分参与损失计算的样本self.anchor_target_creator = AnchorTargetCreator()def forward(self, imgs, bboxes, labels, scale):# 只支持batch_size=1的计算n = bboxes.shape[0]if n != 1:raise ValueError('Currently only batch size 1 is supported.')_, _, H, W = imgs.shapeimg_size = (H, W)# 经cnn产生的特征图features = self.faster_rcnn.extractor(imgs)# 经rpn产生的候选框rpn_locs, rpn_scores, rois, roi_indices, anchor = \self.faster_rcnn.rpn(features, img_size, scale)# Since batch size is one, convert variables to singular formbbox = bboxes[0]rpn_score = rpn_scores[0]rpn_loc = rpn_locs[0]# rpn_lossgt_rpn_loc, gt_rpn_label = self.anchor_target_creator(at.tonumpy(bbox), anchor, img_size)gt_rpn_label = at.totensor(gt_rpn_label).long()gt_rpn_loc = at.totensor(gt_rpn_loc)# 回归损失，调用自定义的smoothl1损失函数rpn_loc_loss = _fast_rcnn_loc_loss(rpn_loc, gt_rpn_loc, gt_rpn_label.data, self.rpn_sigma)# 分类损失，调用pytorch自带的交叉熵损失函数rpn_cls_loss = F.cross_entropy(rpn_score, gt_rpn_label.cuda(), ignore_index=-1)_gt_rpn_label = gt_rpn_label[gt_rpn_label > -1]_rpn_score = at.tonumpy(rpn_score)[at.tonumpy(gt_rpn_label) > -1]return rpn_loc_loss, rpn_cls_loss

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