（2） HOG 檢測(cè)器

方向梯度直方圖（HOG）特征描述器最初是由N． Dalal和B．Triggs在2005年提出的［11］。HOG對(duì)當(dāng)時(shí)的尺度不變特征變換（scale－invariant feature transform）和形狀語(yǔ)境（shape contexts）做出重要改進(jìn)。為了平衡特征不變性 （ 包括平移、尺度、光照等 ） 和非線性 （ 區(qū)分不同對(duì)象類(lèi)別 ），HOG描述器被設(shè)計(jì)為在密集的均勻間隔單元網(wǎng)格（稱為一個(gè)“區(qū)塊”）上計(jì)算，并使用重疊局部對(duì)比度歸一化方法來(lái)提高精度。雖然HOG可以用來(lái)檢測(cè)各種對(duì)象類(lèi)，但它的主要目標(biāo)是行人檢測(cè)問(wèn)題。如若要檢測(cè)不同大小的對(duì)象，則要讓HOG檢測(cè)器在保持檢測(cè)窗口大小不變的情況下，對(duì)輸入圖像進(jìn)行多次重設(shè)尺寸（rescale）。這么多年來(lái)，HOG檢測(cè)器一直是許多目標(biāo)檢測(cè)器和各種計(jì)算機(jī)視覺(jué)應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。

方向梯度直方圖（HOG），計(jì)算出每個(gè)像素朝四周的梯度方向和梯度強(qiáng)度，并統(tǒng)計(jì)形成梯度直方圖

（3） 基于可變形部件的模型（DPM）

DPM作為voco －07、－08、－09屆檢測(cè)挑戰(zhàn)賽的優(yōu)勝者，它曾是傳統(tǒng)目標(biāo)檢測(cè)方法的巔峰。DPM最初是由P． Felzenszwalb提出的［12］，于2008年作為HOG檢測(cè)器的擴(kuò)展，之后R． Girshick進(jìn)行了各種改進(jìn)［13］［14］。

DPM遵循“分而治之”的檢測(cè)思想，訓(xùn)練可以簡(jiǎn)單地看作是學(xué)習(xí)一種正確的分解對(duì)象的方法，推理可以看作是對(duì)不同對(duì)象部件的檢測(cè)的集合。例如，檢測(cè)“汽車(chē)”的問(wèn)題可以看作是檢測(cè)它的窗口、車(chē)身和車(chē)輪。工作的這一部分，也就是“star model”由P．Felzenszwalb等人完成。后來(lái)，R． Girshick進(jìn)一步將star model擴(kuò)展到 “ 混合模型 ”，以處理更顯著變化下的現(xiàn)實(shí)世界中的物體。

一個(gè)典型的DPM檢測(cè)器由一個(gè)根過(guò)濾器（root－filter）和一些零件濾波器（part－filters）組成。該方法不需要手動(dòng)設(shè)定零件濾波器的配置（如尺寸和位置），而是在開(kāi)發(fā)了一種弱監(jiān)督學(xué)習(xí)方法并使用到了DPM中，所有零件濾波器的配置都可以作為潛在變量自動(dòng)學(xué)習(xí)。R． Girshick將這個(gè)過(guò)程進(jìn)一步表述為一個(gè)多實(shí)例學(xué)習(xí)的特殊案例，同時(shí)還應(yīng)用了“困難負(fù)樣本挖掘（hard－negative mining）”、“邊界框回歸”、“語(yǔ)境啟動(dòng)”等重要技術(shù)以提高檢測(cè)精度。而為了加快檢測(cè)速度，Girshick開(kāi)發(fā)了一種技術(shù)，將檢測(cè)模型“ 編譯 ”成一個(gè)更快的模型，實(shí)現(xiàn)了級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，在不犧牲任何精度的情況下實(shí)現(xiàn)了超過(guò)10倍的加速。

雖然今天的目標(biāo)探測(cè)器在檢測(cè)精度方面已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了DPM，但仍然受到DPM的許多有價(jià)值的見(jiàn)解的影響，如混合模型、困難負(fù)樣本挖掘、邊界框回歸等。2010年，P． Felzenszwalb和R． Girshick被授予PASCAL VOC的 “終身成就獎(jiǎng)”。

基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙級(jí)檢測(cè)器

隨著手動(dòng)選取特征技術(shù)的性能趨于飽和，目標(biāo)檢測(cè)在2010年之后達(dá)到了一個(gè)平穩(wěn)的發(fā)展期。2012年，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在世界范圍內(nèi)重新煥發(fā)生機(jī)［15］。由于深卷積網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)W習(xí)圖像的魯棒性和高層次特征表示，一個(gè)自然而然的問(wèn)題是：我們能否將其應(yīng)用到目標(biāo)檢測(cè)中？R． Girshick等人在2014年率先打破僵局，提出了具有CNN特征的區(qū)域（RCNN）用于目標(biāo)檢測(cè)［16］。從那時(shí)起，目標(biāo)檢測(cè)開(kāi)始以前所未有的速度發(fā)展。在深度學(xué)習(xí)時(shí)代，目標(biāo)檢測(cè)可以分為兩類(lèi)：“雙級(jí)檢測(cè)（two－stage detection）” 和 “單級(jí)檢測(cè)（one－stage detection）”，前者將檢測(cè)框定為一個(gè)“從粗到細(xì) ”的過(guò)程，而后者將其定義為“一步到位”。

雙級(jí)檢測(cè)的發(fā)展及各類(lèi)檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)［2］

（1） RCNN

RCNN［17］的思路很簡(jiǎn)單：它首先通過(guò)選擇性搜索來(lái)提取一組對(duì)象作為“提案（proposal）”并當(dāng)做對(duì)象的候選框。然后將每個(gè)提案重新調(diào)整成一個(gè)固定大小的圖像，再輸入到一個(gè)在ImageNet上訓(xùn)練得到的CNN模型（如AlexNet） 來(lái)提取特征。最后，利用線性SVM分類(lèi)器對(duì)每個(gè)區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)，識(shí)別目標(biāo)類(lèi)別。RCNN在VOC07測(cè)試集上有明顯的性能提升，平均精準(zhǔn)度 （mean Average Precision，mAP） 從33．7％（DPM－v5） 大幅提高到58．5％。

雖然RCNN已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，但它的缺點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的：需要在大量重疊的提案上進(jìn)行冗余的特征計(jì)算 （一張圖片超過(guò)2000個(gè)框），導(dǎo)致檢測(cè)速度極慢（使用GPU時(shí)每張圖片耗時(shí)14秒）。同年晚些時(shí)候，有人提出了SPPNet并克服了這個(gè)問(wèn)題。

（2） SPPNet

2014年，K． He等人提出了空間金字塔池化網(wǎng)絡(luò)（ Spatial Pyramid Pooling Networks，SPPNet）［18］。以前的CNN模型需要固定大小的輸入，例如AlexNet需要224x224圖像。SPPNet的主要貢獻(xiàn)是引入了空間金字塔池化（SPP）層，它使CNN能夠生成固定長(zhǎng)度的表示，而不需要重新調(diào)節(jié)有意義圖像的尺寸。利用SPPNet進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)時(shí)，只對(duì)整個(gè)圖像進(jìn)行一次特征映射計(jì)算，然后生成任意區(qū)域的定長(zhǎng)表示以訓(xùn)練檢測(cè)器，避免了卷積特征的重復(fù)計(jì)算。SPPNet的速度是R－CNN的20多倍，并且沒(méi)有犧牲任何檢測(cè)精度（VOC07 mAP＝59．2％）。

SPPNet雖然有效地提高了檢測(cè)速度，但仍然存在一些不足：第一，訓(xùn)練仍然是多階段的，第二，SPPNet只對(duì)其全連接層進(jìn)行微調(diào)，而忽略了之前的所有層。而次年晚些時(shí)候出現(xiàn)Fast RCNN并解決了這些問(wèn)題。