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圖像目標檢測是找出圖像中感興趣的目標，并確定他們的類別和位置，是當前計算機視覺領域的研 究熱點。近年來，由于深度學習在圖像分類方面的準確度明顯提高，基于深度學習的圖像目標檢測模型逐漸 成為主流。首先介紹了圖像目標檢測模型中常用的卷積神經網絡；然后，重點從候選區域、回歸和 anchor-free 方法的角度對現有經典的圖像目標檢測模型進行綜述；最后，根據在公共數據集上的檢測結果分析模型的優 勢和缺點，總結了圖像目標檢測研究中存在的問題并對未來發展做出展望。

引言

計算機視覺（computer vision）是人工智能 （artificial intelligence，AI）的關鍵領域之一，是 一門研究如何使機器“看”的科學。圖像目標檢 測又是計算機視覺的關鍵任務，主要對圖像或視 頻中的物體進行識別和定位，是 AI 后續應用的基 礎。因此，檢測性能的好壞直接影響到后續目標 追蹤[1-2]、動作識別[3-4]的性能。傳統圖像目標檢測的滑窗法雖然簡單易于理 解，但隨目標大小而變化的窗口對圖像進行從左 至右、從上至下的全局搜索導致效率低下。為了 在滑動窗口檢測器的基礎上提高搜索速度， Uijlings 等[5]提出了選擇性搜索方法（selective search method），該方法的主要觀點是圖像中的 目標存在的區域具有相似性和連續性，基于這一 想法采用子區域合并的方式進行候選區域的提取 從而確定目標。Girshick 等[6]提出的基于區域的卷 積神經網絡（region-based convolutional neural network，R-CNN）就是采用了選擇性搜索方法提 取候選區域，進而越來越多的學者在不斷改進確 定目標的方法的基礎上提出新的檢測模型。

本文首先介紹了圖像目標檢測模型中常用的 卷積神經網絡；然后，重點從候選區域、回歸和 anchor-free 方法等角度對現有的圖像目標檢測模 型進行綜述；最后，根據在公共數據集上的檢 測結果分析模型的優勢和缺點，總結了現有圖 像目標檢測研究中存在的問題并對未來發展做 出展望。

基于深度學習的圖像目標檢測模型

本節將介紹近幾年提出的基于候選區域、回 歸和 anchor-free 的圖像目標檢測模型，總結各模 型相比之前模型的改進策略以及自身的創新點和 不足，并在 PASCAL VOC2007[17] 、 PASCAL VOC2012[17]和 MS COCO[18]等常用公共數據集上 做出比較。

基于候選區域的圖像目標檢測模型

R-CNN 圖像目標檢測模型是 Girshick 等[6]于 2013 年提出的，它是候選區域和卷積神經網絡這 一框架的開山之作，也是第一個可以真正應用于 工業級圖像目標檢測的解決方案，為基于 CNN 圖 像目標檢測的發展奠定了基礎。網絡結構如圖 2 所示。R-CNN 首先使用選擇性搜索方法從輸入的 圖像中提取出 2 000 個候選區域，使用剪裁[9]和變 形[19]的方法將候選區域的尺寸固定為 277×277 以 適應全連接層的輸入，通過 CNN 前向傳播對每個 候選區域進行特征計算；然后將每個候選區域的 特征向量送入特定線性分類器中進行分類和預測 概率值；最后使用非極大值抑制（non-maximum suppression，NMS）[20]算法消除多余的目標框， 找到目標的最佳預測位置。

R-CNN 圖像目標檢測模型雖然將 mAP（mean average precision，平均精度值）[17]在 VOC2007 和 VOC2012 數據集上分別達到了 58.5% 和 53.3%，在基于深度學習的圖像目標檢測領域取得 了重大突破，但由于其輸入圖像經過剪裁和變形 后會導致信息丟失和位置信息扭曲，從而影響識 別精度，并且 R-CNN 需要對每張圖片中的上千個 變形后的區域反復調用 CNN，所以特征計算非常 耗時，速度較慢。基于 R-CNN 需固定輸入圖像尺寸以及檢測 速度較慢的缺點，2014年He等[21]提出了SPP-Net， 該模型先是計算整個輸入圖像的卷積特征圖，根 據選擇性搜索方法提取候選區域，通過對特征圖 上與候選區域相對應位置的窗口使用金字塔池化 （spatial pyramid pooling，SPP）可以得到一個固定 大小的輸出，即全連接層的輸入。與 R-CNN 相比， SPP-Net 避免了反復使用 CNN 計算卷積特征，在 無須對輸入圖像進行剪裁和變形的情況下實現了 多尺度輸入卷積計算，保留了圖像的底層信息， 在VOC2007數據集上測試時 mAP達到了59.2％， 在達到相同或更好的性能前提下，比 R-CNN 模型 快 24~102 倍。雖然 R-CNN 和 SPP-Net 在 VOC2007 數據集 上都獲得了很高的精度，但兩者將分類和回歸分 為多階段進行，使得網絡占用了較多的硬件資源。2015 年 Girshick 等[22]提出了一種快速的基于區域 的卷積網絡模型（fast R-CNN）。該網絡首先用 選擇性搜索方法提取候選區域，將歸一化到統一 格式的圖片輸入 CNN 進行卷積計算，然后借鑒了 SPP-Net 中金字塔池化的思想，用最大值池化層 ROI pooling 將卷積特征變成固定大小的 ROI 特征 輸入全連接層進行目標分類和位置回歸。該網絡 采用多任務訓練模式，用 softmax 替代 SVM （support vector machine，支持向量機）[23]進行分 類，將分類和回歸加入網絡同時訓練，在末尾采用可同時輸出分類和回歸結果的并行全連接層。fast R-CNN 減少了硬件緩存，提高了檢測速度， 初步實現了端對端的圖像目標檢測，并且在 VOC2007 和 VOC2012 數據集上的 mAP 分別為 66.9％和 66.0％。

由于 fast R-CNN 無法滿足實時檢測的需求， Ren 等[24]提出了改進模型 faster R-CNN。該網絡 的最大創新就是提出了區域提議網絡（region proposal network，RPN），即在基礎卷積網絡提 取輸入圖像特征的基礎上用 RPN 代替 fast R-CNN 中的選擇性搜索方法進行候選區域的提取。RPN 是一個全卷積網絡，網絡結構如圖 3 所示，該網 絡可以同時在每個位置上預測出目標邊界和目標 概率并產生高質量候選區域，然后通過 ROI pooling將卷積特征變成固定大小的ROI特征輸入 全連接層進行目標分類和位置回歸。RPN 和 fast R-CNN通過四步交替訓練法使兩個網絡共享卷積 特征合并為單一網絡，解決了區域計算的瓶頸問 題，在實現真正端對端訓練模式的基礎上滿足了 實時應用的需求[23]。

2017 年 He 等[25]提出了 mask R-CNN 目標檢 測模型，該模型以faster R-CNN為原型，即在faster R-CNN 中生成的候選區域中融入 FCN（fully convolutional network，全卷積神經網絡）[26]作為 新的支路用于生成每個候選區域的掩膜，同時把 faster R-CNN 中 RoI pooling 修改成為了 ROI align 用于處理掩膜與原圖中物體不對齊的問題。Mask R-CNN 在訓練時可以同時生成目標邊界、目標概 率和掩膜，但在預測時通過將目標邊界和目標概 率的結果輸入掩膜預測中以生成最后的掩膜，該 方法減弱了類別間的競爭優勢，從而達到了更好 的效果，在 MS COCO 數據集上的 mAP 測試結果 達到 35.7%。

基于回歸的圖像目標檢測模型

**YOLO 及擴展模型 **

檢測精度和檢測速度是評判圖像目標檢測模 型好壞的重要標準[27]。基于候選區域的圖像目標 檢測模型，雖然在檢測精度方面首屈一指，但是 它檢測圖像的效率低是其主要弊端。2016 年 Redmon 等[28]提出 YOLO（you only look once）檢 測模型，該模型將圖像目標檢測抽象為回歸問題， 通過對完整圖片的一次檢測就直接預測出感興趣 目標的邊界框和類別，避免了 R-CNN 系列中將檢 測任務分兩步進行的煩瑣操作，解決了之前圖 像目標檢測模型檢測效率低的問題。檢測網絡 將輸入的圖片分成 s×s 個網格，如圖 4 所示，各 網格只負責檢測中心落在該網格的目標，預測 出網格的類別信息以及多個邊界框和各個邊界 框的置信度，通過設定閾值過濾掉置信度較低 的邊界框，然后對保留的邊界框進行 NMS 處理 以確定最終的檢測結果。YOLO 以回歸替代了 之前圖像目標檢測模型的候選區域方法，在滿足 實時需求的基礎上檢測速度達到 45 f/s，但由于 YOLO 在檢測過程中僅選擇置信度最高的邊界框 作為最終的輸出，即每個網格最多只檢測出一個 物體，因此 YOLO 在檢測緊鄰群體目標或小目標 時效果不佳，在 VOC2007 上的 mAP 也僅有 66.4%。針對 YOLO 在目標定位方面不夠準確的問 題，2017 年 Redmon 等[29]提出了 YOLO 的擴展模 型 YOLOv2 和 YOLO9000。YOLOv2 首先在卷積 層中添加批量歸一化（batch normalization，BN）[30]技術使得模型的收斂性有顯著的提升，然后借鑒 faster R-CNN 的思想用聚類方法產生的錨框替代 了 YOLO 中預測出的邊界框，最后通過輸入更高 的分辨率圖像并對其進行遷移學習[31]從而提升網 絡對高分辨率圖像的響應能力，訓練過程中無須 固定圖像的尺寸，因此在一定程度上提升了網絡 的泛化能力。除此之外 YOLOv2 還提出將一個由 19 個卷積層和 5 個 MaxPooling 層構成的 Darknet-19[28]網絡作為骨干網進一步提升檢測速 度。而 YOLO9000 則是在 YOLOv2 的基礎上提出 了目標分類和檢測的聯合訓練方法，使 YOLOv2 的檢測種類擴充到 9 000 種。2017 年 Redmon 等[32] 提出了 YOLOv3 檢測模型，它借鑒了殘差網絡結 構，形成網絡層次更深的 Darknet-53，通過特征 融合的方式采用 3 個不同尺度的特征圖進行目標 檢測，并且用 logistic 代替 softmax 進行類別預測 實現了多標簽目標檢測，該網絡不僅提升了小目 標檢測效果，在邊界框預測不嚴格并且檢測精度 相當的情況下檢測速度是其他模型的 3~４倍。

SSD 及擴展模型

2016 年 Liu 等[33]提出 SSD 圖像目標檢測模 型，該模型徹底淘汰了生成候選區域和特征重采 樣階段，選擇將所有計算封裝在單個深層神經網 絡中，網絡結構如圖 5 所示。SSD 網絡繼承了 YOLO 中將目標檢測問題抽象為回歸問題的思 想，采用特征金字塔的方式進行檢測，即利用不 同卷積層產生不同的特征圖，使用一個小的卷積 濾波器來預測特征圖上一組固定的默認邊界框類 別和位置偏移量。為了實現較高的檢測精度，在 不同尺度的特征圖中進行不同尺度的預測，并設 置不同長寬比的邊界框進行分離預測。由于圖 像中的目標具有隨機性，大小不一，所以小目 標的檢測是由 SSD 使用底層特征圖來實現的， 大目標的檢測是由 SSD 使用高層特征圖來實現 的，相對于 YOLO 精確度大幅度提高，并且效 率也有所提升。2017 年 Fu 等[34]提出 DSSD 檢測模型，即將 Resnet-101 作為 SSD 的骨干網，在分類回歸之前 引入殘差模塊，并且在原本 SSD 添加的輔助卷積 之后又添加了反卷積層，與 SSD 相比，DSSD 在 小目標的檢測精度上有了很大的提升，但 Resnet-101 網絡太深導致 DSSD 的檢測速度相比 SSD 較慢。2017 年 Jisoo 等[35]在未改動 SSD 主干網絡的基礎上提出了 RSSD（rainbow SSD）檢測 模型，該網絡同時采用池化和反卷積的方式進行 特征融合，不僅增強了不同特征層之間的關系， 由于融合后的特征大小相同，還一定程度上增加 了不同層的特征個數。這種特征融合方式解決了 SSD 存在的重復框的問題，同時提升了對小目標 的檢測效果，但與 SSD 相比檢測速度較慢。2017 年 Li 等[36]提出了 FSSD，該模型通過重構一組金字 塔特征圖充分融合了不同層不同尺度的特征，在 保證檢測速度與 SSD 相當的同時使得檢測精度有 了明顯的提升。2019 年 Yi 等[37]借鑒注意力機制[38] 的思想在 SSD 檢測模型中設計了一個注意力模 塊，該注意力模塊基于全局特征關系可以分析出 不同位置特征的重要性，從而達到在網絡中突出 有用信息和抑制無用信息的效果，ASSD[37]檢測精 度提高，但與 SSD 相比，檢測速度較慢。

基于 anchor-free 的圖像目標檢測模型

圖像目標檢測發展日新月異，越來越多優秀 目標檢測模型陸續被提出，基于候選區域和回歸 方法的檢測模型目前發展穩定并且成熟，而基于 anchor-free 的檢測模型是當下目標檢測領域中新 的熱門研究方向，anchor-free 檢測模型有兩種， 分別為基于關鍵點的檢測和基于分類和回歸進行 改進的檢測。

基于關鍵點的檢測

2018 年 Law[42]受到 Newell 等在姿態估計[43-46] 中的關聯嵌入的啟發提出了 CornerNet，這是一種 新型的圖像目標檢測方法。CornerNet 將一個目標 檢測為一對關鍵點，即目標邊界框的左上角點和 右下角點，是第一個將圖像目標檢測任務表述為 利用嵌入角點進行分組和檢測任務的模型，開啟 了基于關鍵點的目標檢測方法的大門。CornerNet 首先使用沙漏網絡[15]作為其骨干網絡輸出最后一 層卷積特征，骨干網后接兩個分支模塊，分別進 行左上角點預測和右下角點預測，每個分支模塊 包含一個 Corner pooling（角池化）和 3 個輸出， 網絡結構如圖 7 所示。heatmaps（熱圖）輸出的 是預測角點的位置信息，當圖像中出現多個目標時，embeddings（嵌入）根據左上角點和右下角 點嵌入向量之間的距離對屬于同一目標的一對角 點進行分組；offsets（誤差）是輸出從圖像到特征 圖的量化誤差，用來對預測框進行微調。

當角點在目標之外時，此時獲取的信息不足 以進行當前的定位，為了能夠更好地定位邊界框 的角點，Law 等[42]介紹了一種新型池化層—角池 化層，該池化層包含兩個特征圖，在每個像素位 置，它將第一個特征圖下側的所有特征向量和第 二個特征圖右方的所有特征向量最大化，然后將 兩個合并后的結果相加輸出最后的角點。CornerNet 極大地簡化了網絡的輸出，徹底消除了 圖像目標檢測對候選區域和候選框的需要，在 MS COCO 上實現了 42.1％的 mAP，但當 CornerNet 將邊界框的角點定位在物體之外時目標的局部 特征表現不強烈，并且在判斷兩個角點是否屬 于同一目標時，由于缺乏全局信息的輔助導致 匹配角點時產生錯誤目標框，因此存在一定的 誤檢率。2019年Zhou等[47]借鑒CornerNet 的思想提出 一種新的檢測思路，即通過關鍵點估計[48-50]網絡 對每個目標預測出 4 個極值點和 1 個中心點，然 后提取極值點的峰值，暴力枚舉所有的組合并計 算出每個組合的幾何中心點，若幾何中心點與預 測的中心點匹配度高于設定閾值，則接受該組合， 并將這 5 個極值點的得分平均值作為組合的置信 度。ExtremeNet[47]將目標檢測問題轉化成單純的 基于外觀信息的關鍵點估計問題，避免了對目標 隱含特征的學習，相對于 CornerNet 更好地反映了物體的信息，檢測效果更好。

基于分類和回歸進行改進的檢測

自 2018 年 CornerNet 提出以來，基于 anchor-free 的目標檢測模型在分類和回歸的方法 上又有了新的創新，如 2019 年 Zhu 等[53]提出一種 基于 anchor-free 的動態選擇特征層的方法，該方 法主要是在 RetinaNet 的基礎上建立一個 FSAF（feature selective anchor-free）模塊，即對每個層 次的特征都建立一個可以將目標分配到合適特性 級別的 anchor-free 分支，使得目標框能夠在任意 特征層通過 anchor-free 分支進行編解碼操作。FSAF 可以和基于錨的分支并行工作平行的輸出預測結 果，有效地提升了 RetinaNet 的穩健性，解決了傳統 基于錨框檢測的網絡根據候選框選擇特征層的局限 性，并在 MS COCO 上實現了 42.8％的 mAP。傳統基于錨框的檢測網絡面對變化較大的目 標時需要根據檢測任務預定義錨框尺寸，通過手 工設置錨框提高召回率這一操作不僅占用較大的 計算和內存資源，還在一定程度上深化了正負樣 本不平衡問題。2019 年 Tian 等[54]提出一種全卷積 目標檢測網絡 FCOS，類似語義分割中[55]利用逐 像素點預測的方式解決目標檢測問題。為了提高 檢測效果，FCOS 引入 center-ness 分支用于降低檢 測效果不理想的目標框權重，然后通過 NMS 算法 確定最終檢測結果。基于 anchor-free 的 FCOS 檢 測網絡極大地降低了參數計算，可以與其他視覺 任務相結合，并且盡可能多地使用正樣本參與訓 練，解決了之前檢測模型中出現的正負樣本不平 衡問題，但在檢測時由于目標真實框重疊，可能 會出現語義模糊情況。2019年Kong等[59]提出了FoveaBox目標檢測 網絡，結合人類視覺系統是通過眼球中對物體感 應最敏銳的中央凹（Fovea）結構確定物體位置的 原理對目標真實框進行位置變換，更具體地說是 通過目標真實框找到目標對應在特征圖中的中心 位置，然后設定兩個縮放因子分別對目標真實框 向中心點進行收縮和擴展，將收縮邊框的內部點 作為正樣本，擴展邊框外部點作為負樣本。這種 通過位置變化忽略兩個邊框中間點的方法不僅增 加了正負樣本之間的識別度、解決了樣本不平衡 問題，還有效提升了檢測性能，但與其他 anchor-free 模型相比檢測精度略低，在 MS COCO 上實現的 mAP 僅有 40.6％。

圖像目標檢測模型對比

本文對現有經典圖像目標檢測模型的創新點 及優缺點做出對比，見表 1。無論是候選區域法、 回歸法還是 anchor-free 法，提出模型的主要目的 都是為了能夠高精度、高速率地識別并檢測出目 標。由表 1 可以看出，基于候選區域法模型的提 出開啟了用 CNN 提取特征的大門使圖像目標檢 測進入深度學習時代，回歸法則解決了候選區域 法的速度瓶頸問題，實現了端對端的圖像目標檢 測。而基于 anchor-free 的算法消除了候選區域法 和回歸法中候選框的設計，生成高質量的目標框 并在未來形成了一個有前途的方向。對本文中提到的圖像目標檢測模型在公共數 據集上的檢測結果做出對比，見表 2。“—”表示 此數據集沒有該模型的測試結果，2007 表示數據 集 VOC 2007，2012 表示數據集 VOC 2012；[email protected] 表示該模型在 MS COCO 數據集上是取 閾值為 0.5 計算精度的，AP@[0.5,0.95]表示該模 型在 MSCOCO 數據集上是取 10 個閾值（間隔 0.05）計算精度的，即 mAP，表 2 中所有的數據 集精確率檢測結果均以百分比為單位。FPS 表示 該模型每秒處理圖片的數量。