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物件偵測
我們之前處理的影像分類模型是將一張圖片輸入，並產生一個分類結果，例如在 MNIST 問題中，分類結果是「數字」這個類別。然而，在許多情況下，我們不僅僅想知道圖片中有物件，我們還希望能夠確定它們的精確位置。這正是物件偵測的目的。
課前測驗
圖片來源：YOLO v2 官方網站
一個簡單的物件偵測方法
假設我們想在一張圖片中找到一隻貓，一個非常簡單的物件偵測方法如下：
- 將圖片分割成多個小區塊。
- 對每個區塊進行影像分類。
- 將分類結果中激活值足夠高的區塊視為包含目標物件的區域。
圖片來源：練習筆記本
然而，這種方法遠非理想，因為它只能非常粗略地定位物件的邊界框。若要更精確地定位，我們需要進行某種回歸來預測邊界框的座標，而這需要特定的數據集。
用回歸進行物件偵測
這篇部落格文章對於偵測形狀提供了一個很好的入門介紹。
物件偵測的數據集
在進行物件偵測時，你可能會遇到以下數據集：
- PASCAL VOC - 包含 20 個類別
- COCO - 常見物件上下文數據集，包含 80 個類別、邊界框和分割遮罩
物件偵測的評估指標
交集比聯集 (Intersection over Union, IoU)
對於影像分類來說，衡量算法表現的方式很簡單，但對於物件偵測，我們需要同時衡量類別的正確性以及推測邊界框位置的精確性。後者使用所謂的交集比聯集 (IoU) 來衡量，這是一種用來測量兩個框（或任意兩個區域）重疊程度的方法。
圖片來源：這篇優秀的 IoU 部落格文章
概念很簡單——我們將兩個圖形的交集面積除以它們的聯集面積。對於完全相同的區域，IoU 值為 1；對於完全不相交的區域，IoU 值為 0；其他情況下，IoU 值介於 0 到 1 之間。我們通常只考慮 IoU 超過某個值的邊界框。
平均準確率 (Average Precision, AP)
假設我們想衡量某個類別 C 的物件被識別的效果。為此，我們使用平均準確率 (AP) 指標，其計算方式如下：
- 繪製準確率-召回率曲線，顯示準確率隨檢測閾值（從 0 到 1）的變化。
- 根據閾值，我們會在圖片中檢測到更多或更少的物件，並得到不同的準確率和召回率值。
- 曲線看起來如下：
圖片來源：NeuroWorkshop
對於給定類別 C 的平均準確率是該曲線下的面積。更精確地說，召回率軸通常被分成 10 個部分，並對這些點的準確率取平均值：
AP = {1\over11}\sum_{i=0}^{10}\mbox{Precision}(\mbox{Recall}={i\over10})
AP 與 IoU
我們只考慮那些 IoU 超過某個值的檢測。例如，在 PASCAL VOC 數據集中，通常假設 \mbox{IoU Threshold} = 0.5，而在 COCO 數據集中，AP 是針對不同的 \mbox{IoU Threshold} 值進行測量的。
圖片來源：NeuroWorkshop
平均平均準確率 (Mean Average Precision, mAP)
物件偵測的主要評估指標稱為平均平均準確率 (Mean Average Precision, mAP)。它是所有物件類別的平均準確率的平均值，有時也包括不同 \mbox{IoU Threshold} 的平均值。更詳細的 mAP 計算過程可以參考這篇部落格文章)，以及這裡的程式碼範例。
不同的物件偵測方法
物件偵測算法大致分為兩類：
- 區域提議網絡 (Region Proposal Networks, R-CNN, Fast R-CNN, Faster R-CNN)。主要思想是生成感興趣區域 (ROI)，並對其運行 CNN，尋找最大激活值。這與簡單方法有些相似，但 ROI 是以更聰明的方式生成的。這類方法的一個主要缺點是速度較慢，因為需要對圖片進行多次 CNN 分類。
- 單次通過 (One-pass) 方法（如 YOLO、SSD、RetinaNet）。這些架構設計成在一次通過中同時預測類別和 ROI。
R-CNN: 基於區域的 CNN
R-CNN 使用 Selective Search 生成 ROI 區域的層次結構，然後通過 CNN 特徵提取器和 SVM 分類器來確定物件類別，並通過線性回歸確定邊界框座標。官方論文
圖片來源：van de Sande et al. ICCV’11
圖片來源：這篇部落格
F-RCNN - 快速 R-CNN
這種方法與 R-CNN 類似，但區域是在卷積層應用後定義的。
Faster R-CNN
這種方法的主要思想是使用神經網絡來預測 ROI，即所謂的區域提議網絡 (Region Proposal Network)。論文，2016
圖片來源：官方論文
R-FCN: 基於區域的全卷積網絡
這種算法比 Faster R-CNN 更快。主要思想如下：
- 使用 ResNet-101 提取特徵。
- 特徵經過位置敏感得分圖 (Position-Sensitive Score Map) 處理。每個來自
C類別的物件被劃分為k\times k區域，我們訓練網絡來預測物件的部分。 - 對於
k\times k區域中的每個部分，所有網絡對物件類別進行投票，選擇得票最多的物件類別。
圖片來源：官方論文
YOLO - You Only Look Once
YOLO 是一種實時單次通過算法。主要思想如下：
- 將圖片劃分為
S\times S區域。 - 對於每個區域，CNN 預測
n個可能的物件、邊界框座標以及置信度=概率 * IoU。
圖片來源：官方論文
其他算法
✍️ 練習：物件偵測
繼續學習以下筆記本：
總結
在這節課中，你快速瀏覽了各種實現物件偵測的方法！
🚀 挑戰
閱讀以下關於 YOLO 的文章和筆記本，並嘗試自己實現：
課後測驗
回顧與自學
- 物件偵測 by Nikhil Sardana
- 物件偵測算法的良好比較
- 深度學習物件偵測算法回顧
- 物件偵測算法的逐步介紹
- 用 Python 實現 Faster R-CNN 進行物件偵測