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进经过RCNN和Fast RCNN的积淀，Ross B. Girshick在2016年提出了新的Faster RCNN，在结构上，Faster RCN已经将特征抽取(feature extraction)，proposal提取，bounding box regression(rect refine)，classification都整合在了一个网络中，使得综合性能有较大提高，在检测速度方面尤为明显。
图1 Faster CNN基本结构（来自原论文）
缩进依作者看来，如图1，Faster RCNN其实可以分为4个主要内容：
所以本文以上述4个内容作为切入点介绍Faster RCNN网络。
缩进图2展示了Python版本中的VGG16模型中的faster_rcnn_test.pt的网络结构，可以清晰的看到该网络对于一副任意大小PxQ的图像，首先缩放至固定大小MxN，然后将MxN图像送入网络；而Conv layers中包含了13个conv层+13个relu层+4个pooling层；RPN网络首先经过3x3卷积，再分别生成foreground anchors与bounding box regression偏移量，然后计算出proposals；而Roi Pooling层则利用proposals从feature maps中提取proposal feature送入后续全连接和softmax网络作classification（即分类proposal到底是什么object）。
path:${py-faster-rcnn-root}/models/pascal_voc/VGG16/faster_rcnn_alt_opt/faster_rcnn_test.pt
图2 faster_rcnn_test.pt网络结构（放大网页看大图）
缩进Conv layers包含了conv，pooling，relu三种层。以python版本中的VGG16模型中的faster_rcnn_test.pt的网络结构为例，如图2，Conv layers部分共有13个conv层，13个relu层，4个pooling层。这里有一个非常容易被忽略但是又无比重要的信息，在Conv layers中：
为何重要？在Faster RCNN Conv layers中对所有的卷积都做了扩边处理（pad=1，即填充一圈0），导致原图变为(M+2)x(N+2)大小，再做3x3卷积后输出MxN。正是这种设置，导致Conv layers中的conv层不改变输入和输出矩阵大小。如图3：
图3
类似的是，Conv layers中的pooling层kernel_size=2，stride=2。这样每个经过pooling层的MxN矩阵，都会变为(M/2)*(N/2)大小。综上所述，在整个Conv layers中，conv和relu层不改变输入输出大小，只有pooling层使输出长宽都变为输入的1/2。
缩进那么，一个MxN大小的矩阵经过Conv layers固定变为(M/16)x(N/16)！这样Conv layers生成的featuure map中都可以和原图对应起来。
缩进经典的检测方法生成检测框都非常耗时，如OpenCV adaboost使用滑动窗口+图像金字塔生成检测框；或如RCNN使用SS(Selective Search)方法生成检测框。而Faster RCNN则抛弃了传统的滑动窗口和SS方法，直接使用RPN生成检测框，这也是Faster RCNN的巨大优势，能极大提升检测框的生成速度。
图4 RPN网络结构
上图4展示了RPN网络的具体结构。可以看到RPN网络实际分为2条线，上面一条通过softmax分类anchors获得foreground和background（检测目标是foreground），下面一条用于计算对于anchors的bounding box regression偏移量，以获得精确的proposal。而最后的Proposal层则负责综合foreground anchors和bounding box regression偏移量获取proposals，同时剔除太小和超出边界的proposals。其实整个网络到了Proposal Layer这里，就完成了相当于目标定位的功能。
缩进提到RPN网络，就不能不说anchors。所谓anchors，实际上就是一组由rpn/generate_anchors.py生成的矩形。直接运行作者demo中的generate_anchors.py可以得到以下输出：
其中每行的4个值[x1,y1,x2,y2]代表矩形左上和右下角点坐标。9个矩形共有3种形状，长宽比为大约为：width:height = [1:1, 1:2, 2:1]三种，如图6。实际上通过anchors就引入了检测中常用到的多尺度方法。
图6 anchors示意图
注：关于上面的anchors size，其实是根据检测图像设置的。在python demo中，会把任意大小的输入图像reshape成800x600（即图2中的M=800，N=600）。再回头来看anchors的大小，anchors中长宽1:2中最大为352x704，长宽2:1中最大736x384，基本是cover了800x600的各个尺度和形状。
那么这9个anchors是做什么的呢？借用Faster RCNN论文中的原图，如图7，遍历Conv layers计算获得的feature maps，为每一个点都配备这9种anchors作为初始的检测框。这样做获得检测框很不准确，不用担心，后面还有2次bounding box regression可以修正检测框位置。
图7
解释一下上面这张图的数字。
注意，在本文讲解中使用的VGG conv5 num_output=512，所以是512d，其他类似.....
图9
缩进对于窗口一般使用四维向量(x, y, w, h)表示，分别表示窗口的中心点坐标和宽高。对于图 10，红色的框A代表原始的Foreground Anchors，绿色的框G代表目标的GT，我们的目标是寻找一种关系，使得输入原始的anchor A经过映射得到一个跟真实窗口G更接近的回归窗口G‘，即：给定A=(Ax, Ay, Aw, Ah)，寻找一种映射f，使得f(Ax, Ay, Aw, Ah)=(G‘x, G‘y, G‘w, G‘h)，其中(G‘x, G‘y, G‘w, G‘h)≈(Gx, Gy, Gw, Gh)。
图10
那么经过何种变换才能从图6中的A变为G‘呢？ 比较简单的思路就是:
缩进 1. 先做平移
缩进 2. 再做缩放
缩进观察上面4个公式发现，需要学习的是dx(A)，dy(A)，dw(A)，dh(A)这四个变换。当输入的anchor与GT相差较小时，可以认为这种变换是一种线性变换， 那么就可以用线性回归来建模对窗口进行微调（注意，只有当anchors和GT比较接近时，才能使用线性回归模型，否则就是复杂的非线性问题了）。对应于Faster RCNN原文，平移量(tx, ty)与尺度因子(tw, th)如下：
缩进接下来的问题就是如何通过线性回归获得dx(A)，dy(A)，dw(A)，dh(A)了。线性回归就是给定输入的特征向量X, 学习一组参数W, 使得经过线性回归后的值跟真实值Y（即GT）非常接近，即Y=WX。对于该问题，输入X是一张经过num_output=1的1x1卷积获得的feature map，定义为Φ；同时还有训练传入的GT，即(tx, ty, tw, th)。输出是dx(A)，dy(A)，dw(A)，dh(A)四个变换。那么目标函数可以表示为：
其中Φ(A)是对应anchor的feature map组成的特征向量，w是需要学习的参数，d(A)是得到的预测值（*表示 x，y，w，h，也就是每一个变换对应一个上述目标函数）。为了让预测值(tx, ty, tw, th)与真实值最小，得到损失函数：
函数优化目标为：
缩进在了解bounding box regression后，再回头来看RPN网络第二条线路，如图11。
图11 RPN中的bbox reg
先来看一看上图11中1x1卷积的caffe prototxt定义：
可以看到其num_output=36，即经过该卷积输出图像为WxHx36，在caffe blob存储为[1, 36, H, W]。与上文中fg/bg anchors存储为[1, 18, H, W]类似，这里相当于feature maps每个点都有9个anchors，每个anchors又都有4个用于回归的[dx(A)，dy(A)，dw(A)，dh(A)]变换量。利用上面的的计算公式即可从foreground anchors回归出proposals。
缩进而RoI Pooling层则负责收集proposal，并计算出proposal feature maps，送入后续网络。从图3中可以看到Rol pooling层有2个输入：
缩进先来看一个问题：对于传统的CNN（如AlexNet，VGG），当网络训练好后输入的图像尺寸必须是固定值，同时网络输出也是固定大小的vector or matrix。如果输入图像大小不定，这个问题就变得比较麻烦。有2种解决办法：
图13 crop与warp破坏图像原有结构信息
两种办法的示意图如图13，可以看到无论采取那种办法都不好，要么crop后破坏了图像的完整结构，要么warp破坏了图像原始形状信息。回忆RPN网络生成的proposals的方法：对foreground anchors进行bound box regression，那么这样获得的proposals也是大小形状各不相同，即也存在上述问题。所以Faster RCNN中提出了RoI Pooling解决这个问题（需要说明，RoI Pooling确实是从SPP发展而来，但是限于篇幅这里略去不讲，有兴趣的读者可以自行查阅相关论文）。
缩进分析之前先来看看RoI Pooling Layer的caffe prototxt的定义：
其中有新参数pooled_w=pooled_h=7，另外一个参数spatial_scale=1/16应该能够猜出大概吧。
缩进RoI Pooling layer forward过程：在之前有明确提到：proposal=[x1, y1, x2, y2]是对应MxN尺度的，所以首先使用spatial_scale参数将其映射回MxN大小的feature maps尺度（这里来回多次映射，是有点绕）；之后将每个proposal水平和竖直都分为7份，对每一份都进行max pooling处理。这样处理后，即使大小不同的proposal，输出结果都是7x7大小，实现了fixed-length output。
图14 proposal示意图
从PoI Pooling获取到7x7=49大小的proposal feature maps后，送入后续网络，可以看到做了如下2件事：
图16 全连接层示意图
其计算公式如下：
其中W和bias B都是预先训练好的，即大小是固定的，当然输入X和输出Y也就是固定大小。所以，这也就印证了之前Poi Pooling的必要性。到这里，我想其他内容已经很容易理解，不在赘述了。
可以看到训练过程类似于一种“迭代”的过程，不过只循环了2次。至于只循环了2次的原因是应为作者提到："A similar alternating training can be run for more iterations, but we have observed negligible improvements"，即循环更多次没有提升了。接下来本章以上述6个步骤讲解训练过程。
缩进在该步骤中，首先读取RBG提供的预训练好的model（本文使用VGG），开始迭代训练。来看看stage1_rpn_train.pt网络结构，如图17。
图17 stage1_rpn_train.pt
（考虑图片大小，Conv Layers中所有的层都画在一起了，如红圈所示，后续图都如此处理）
与检测网络类似的是，依然使用Conv Layers提取feature maps。整个网络使用的Loss如下：
上述公式中，i表示anchors index，pi表示foreground softmax predict概率，pi*代表对应的GT predict概率（即当第i个anchor与GT间IoU>0.7，认为是该anchor是foreground，pi*=1；反之IoU<0.3时，认为是该anchor是background，pi*=0；至于那些0.3<IoU<0.7的anchor则不参与训练）；t代表predict bounding box，t*代表对应foreground anchor对应的GT box。可以看到，整个Loss分为2部分：
缩进由于在实际过程中，Ncls和Nreg差距过大，用参数λ平衡二者（如Ncls=256，Nreg=2400时设置λ=10），使总的网络Loss计算过程中能够均匀考虑2种Loss。这里比较重要是Lreg使用的soomth L1 loss，计算公式如下：
缩进了解数学原理后，反过来看图17：
这样，公式与代码就完全对应了。
缩进在该步骤中，利用之前的RPN网络，获取proposal rois，同时获取foreground softmax probability，如图18，然后将获取的信息保存在python pickle文件中。该网络本质上和检测中的RPN网络一样，没有什么区别。
缩进读取之前保存的pickle文件，获取proposals与foreground probability。从data层输入网络。然后：
这样就可以训练最后的识别softmax与最终的bounding regression了，如图19。
图19 stage1_fast_rcnn_train.pt
之后的训练都是大同小异，不再赘述了。
综上：
（1）rpn_conv/3*3层后接两个分别为36-d和18-d的1*1卷积层，分别用于cls和reg;
（2）conv层均是kernel size=3*3，pad=1，stride=1，所以卷积前后不改变大小，只有pool层起作用，原输入为M*N，经过conv5前面这些层后变为（M/16）*（N/16），从而实现了feature map 和原始图像的一一映射（16是固定缩放比例）；
（3）proposal层负责总和foreground anchors和BB偏移量来获取proposals，同时剔除太小和超出边界的proposals；
（4）对于ZF，conv5的feature map上的每一个点经过两个并行的1*1卷积，分别由256-d的feature变为cls=2k(2*9)个scores，reg=4k(4*9)个box；
（5）上文中的画图工具为：
http://ethereon.github.io/netscope/#/editor
非常好用~
原文：http://www.cnblogs.com/zf-blog/p/7142463.html
