Описание экспериментов и полученные результаты

Исходная нейронная сеть Fast- RCNN подхода:

1) Convolution (96 фильтров, сдвиг – 4, ядро – 11, дополнение – 5),

2) ReLU,

3) Pooling (сдвиг – 2, ядро – 3, дополнение – 1),

4) LRN (размер – 4, альфа – 0.001, бета – 0.75),

5) Convolution (256 фильтров, сдвиг – 1, ядро – 5, дополнение – 2),

6) ReLU,

7) Pooling (сдвиг – 2, ядро – 3, дополнение – 1),

8) LRN (размер – 4, альфа – 0.001, бета – 0.75),

9) Convolution (384 фильтра, сдвиг – 1, ядро – 3, дополнение – 1),

10) ReLU,

11) Convolution (384 фильтра, сдвиг – 1, ядро – 3, дополнение – 1),

12) ReLU,

13) Convolution (256 фильтров, сдвиг – 1, ядро – 3, дополнение – 1),

14) ReLU,

15) RoI Data Layer (ширина = длине = 6, пространственный коэф. = 1/16),

16) INNER PRODUCT (4096 нейронов),

17) ReLU,

18) DropOut (коэффициент регуляризации = 0.5),

18) INNER PRODUCT (FC8 21 нейрон),

19) ReLU,

20) INNER PRODUCT (FC9 84 нейрона),

21) Location Loss,

22) Confidence Loss.

Для адаптации данной сети к ImageNet 2014 базе данных, изменяется количество нейронов в полностью связных слоях FC8 и FC9:

­ FC8 – вместо 21 нейрона – 201 (к-во классов + спец. класс для фона),

­ FC9 – вместо 84 нейронов – 804 (для каждого класса 4 координаты).

Задача обучения нейронной сети заключается в минимизации следующей функции потерь:

à min

p – вероятность принадлежности для конкретного прямоугольника к одному из классов

Также стоит отметить, что компонента, отвечающая за потерю для координат окаймляющего прямоугольника, считается только в том случае, если класс не совпадает с классом «фон».

Далее для оптимизации заданной функции потерь используется вариация алгоритма стохастического градиентного спуска(mini-batch). При этом batch size для данного подхода равен 2.

Для базы данных PASCAL VOC 2012 обучение занимает ~ 2.5 эпохи.

При этом точность детектирования mAP – mean average precision ~ 68.4%.

Точность детектирования для отдельных классов объектов приведена ниже:

Таблица 3. mAP для Pascal VOC 2012

Подход	aero	bike	bird	boat	bottle	bus	car	cat	chair	cow	table
Fast R-CNN	82.3	78.4	70.8	52.3	38.7	77.8	71.6	89.3	44.2

Таблица 4. mAP для Pascal VOC 2012

Подход	dog	horse	mbike	person	plant	sheep	sofa	train	tv
Fast R-CNN	87.5	80.5	80.8		35.1	68.3	65.7	80.4	64.2

Для сравнения с наиболее известным подходом Multi-Box, данный метод позволяет улучшить mAP на ~ 19% (Multi-Box mAP ~ 49.5%).

График функции потерь в зависимости от количества пройденных итераций стохастического градиентного спуска приведен ниже:

рис. 13. Функция потерь для PASCAL VOC 2012

Для ImageNet 2014 базы данных функция потерь выглядит следующим образом:

рис. 14. Функция потерь для ImageNet 2014

Некоторые результаты детектирования произвольных изображений, найденных по запросу в Google:

рис 15. Результаты работы детектора

рис 16. Результаты работы детектора

Заключение

Результатом проделанной работы является практическое применение методов глубинного обучения к задачам компьютерного зрения на примере адаптации Fast R-CNN подхода к задаче детектирования объектов базы данных ImageNet 2014. Данный подход показал себя одним из самых лучших на текущий момент по скорости обработки 1 тестового изображения и меры точности детектирования. По сравнению с самым передовым подходом детектирования объектов Multi-Box (mAP 0.43 для ImageNet 2014), Fast R-CNN подход показал лучшие результаты (mAP 0.56 для ImageNet 2014).

Данный детектор может быть использован для практического применения в промышленности, например для решения задач детектирования в робототехнике, а также систем видеонаблюдения.

Настоящая работа может быть продолжена в сторону применения сверточных нейронных сетей к другим задачам компьютерного зрения, например семантической сегментации, локализации или распознавания действий. Кроме того, исследуемый подход, может быть расширен использованием других архитектур нейронных сетей.

Изучение нейронных сетей применительно к задачам компьютерного зрения является актуальной задачей, о чем свидетельствуют многочисленные статьи на данную тему.

В отличие от задачи классификации, задачи детектирования и сегментации остаются не до конца изученными и поэтому требуют более детального исследования.

Список литературы

1. Bar-Hen Ron, Johanan Erez. A Real-time vehicle License Plate Recognition (LPR). // VISL, Technion, 2003.

2. R. Cox. QArt Coder. // 2012.

3. Y. Sun, Y. Chen, X. Wang, and X. Tang. Deep learning face representation by joint identification-verification. In Proc. NIPS, 2014.

4. M. o Bertozzi, A. o Broggi, A. a Fascioli. Vision-based intelligent vehicles: State of the art and perspectives. Robotics and Autonomous systems., 32(1):1–16, 2000.

5. LeCun, Y. Learning algorithms for classification: A comparison on handwritten digit recognition. / Y. LeCun, L. Jackel, L. Bottou, C. Cortes, J. S. Denker, H. Drucker, I. Guyon, U. Muller, E. Sackinger, P. Simard, et al. // Neural networks: the statistical mechanics perspective, 261:276. – 1995.

6. Fukushima, K. Neural network model for a mechanism of pattern recognition unaffected by shift in position- neocognitron. / K. Fukushima. // ELECTRON. & COMMUN. JAPAN, 62(10):11–18. – 1979.

7. Chatfield, K. Return of the devil in the details: Delving deep into convolutional nets. / K. Chatfield, K. Simonyan, A. Vedaldi, A. Zisserman. // BMVC. – 2014.

8. Krizhevsky, A. Imagenet classification with deep convolutional neural networks. / A. Krizhevsky, I. Sutskever, G. E. Hinton. // Advances in neural information processing systems. – 2012. – pp. 1097–1105.

9. Felzenszwalb, P.F. Object detection with discriminatively trained partbased models. / P. F. Felzenszwalb, R. B. Girshick, D. McAllester, D. Ramanan. // Pattern Analysis and Machine Intelligence, IEEE Transactions on, 32(9):1627–1645. – 2010.

10. Carreira, J. Semantic segmentation with second-order pooling. / J. Carreira, R. Caseiro, J. Batista, C. Sminchisescu. // ECCV. – 2012.

11. Kristan, M. The visual object tracking VOT2014 challenge results. / M. Kristan // European Conference on Computer Vision Workshop. – 2014.

12. Hong, S. Online tracking by learning discriminative saliency map with convolutional neural network. / S. Hong, T. You, S. Kwak, B. Han. // arXiv preprint arXiv:1502.06796. – 2015.

13. Seitz, S. A Comparison and Evaluation of Multi-View Stereo Reconstruction Algorithms. / S. Seitz, B. Curless, J. Diebel, D, Scharstein, R. Szeliski. // CVPR 2006, vol. 1. – 2006. - pp. 519-526.

14. Alvarez, L. Image selective smoothing and edge detection by non- linear diffusion (II). / L. Alvarez, P-L. Lions, J-M. Morel. // SIAM Journal of numerical analysis 29. – 1992. - pp. 845-866.

15. Samuel, A.L. Some studies in Machine Learning Using the Game of Checkers. / A.L. Samuel. – 1959.

16. Gurney, K. An Introduction to Neural Networks London. / K. Gurney. // Routledge. – 1997.

17. Caruana, R. Multitask learning. / R. Caruana. // Machine learning. – 1997.

18. A. Graves and J. Schmidhuber. Framewise phoneme classification with bidirectional LSTM and other neural network architectures. Neural Networks, 18:602–610, 2005.

19. J. Martens, I. Sutskever. Training deep and recurrent networks with hessian-free optimization. In Neural Networks: Tricks of the Trade, pp. 479-535. Springer Berlin Heidelberg, 2012.

20. Girshick R. Rich feature hierarchies for accurate object detection and semantic segmentation. / R. Girshick, J. Donahue, T. Darrell, J. Malik. // Proceedings of the IEEE Conference on Comp.

21. Erhan, D. Scalable object detection using deep neural networks. / D. Erhan, C. Szegedy, A. Toshev, D. Anguelov. // Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), 2014 IEEE Conference on. – IEEE. – 2014. – pp. 2155–2162. 1, 2, 3, 6.

22. Girshick R. Fast R-CNN // 2015

23. C. Szegedy, W. Liu, Y. Jia, P. Sermanet, S. Reed, D. Anguelov, D. Erhan, V. Vanhoucke, and A. Rabinovich. Going deeper with convolutions. arXiv preprint arXiv:1409.4842, 2014.

24. Min Lin, Qiang Chen, and Shuicheng Yan. Network in network. CoRR, abs/1312.4400, 2013.

25. Koen E. A. van de Sande, Jasper R. R. Uijlings, Theo Gevers, and Arnold W. M. Smeulders. Segmentation as selective search for object recognition. In Proceedings of the 2011 International Conference on Computer Vision, ICCV ’11, pages 1879–1886, Washington, DC, USA, 2011. IEEE Computer Society.

26. C. Szegedy, S. Reed, D. Anguelov, D. Erhan. Scalable, High-Quality Object Detection. arXiv preprint arXiv: 1412.1441v2, 2015.

27. He, K. Spatial pyramid pooling in deep convolutional networks for visual recognition. / K. He, X. Zhang, S. Ren, J. Sun. // Computer Vision –ECCV 2014. – Springer. – 2014. – pp. 346–361.

28. ImageNet 2014 [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.image-net.org/challenges/LSVRC/2014/ (Дата обращения: 07.03.2015).

29. PASCAL VOC [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://pascallin.ecs.soton.ac.uk/ (Дата обращения: 24.12.2014).

30. Caffe [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://caffe.berkeleyvision.org/ (Дата обращения: 15.03.2015).

31. Bottou, L. Stochastic Gradient Descent Tricks. Neural Networks: Tricks of the Trade. / L. Bottou. // Springer. - 2012.

32. Nesterov, Y. A Method of Solving a Convex Programming Problem with Convergence Rate O ). / Y. Nesterov. // Soviet Mathematics Doklady. - 1983

33. Duchi, E. Hazan, and Y. Singer. Adaptive Subgradient Methods for Online Learning and Stochastic Optimization. The Journal of Machine Learning Research, 2011.

34. I. Sutskever, J. Martens, G. Dahl, and G. Hinton. On the Importance of Initialization and Momentum in Deep Learning. Proceedings of the 30th International Conference on Machine Learning, 2013.

35. Hosang, J. How good are detection proposals, really? / J. Hosang, R. Benenson, B. Schiele. // arXiv preprint arXiv:1406.6962. – 2014.

36. Krahenbuhl, P. Geodesic object proposals. / P. Krahenbuhl, V. Koltun. // Computer Vision–ECCV 2014. – Springer. – 2014. – pp. 725–739.

37. Manen, S. Prime object proposals with randomized prim’s algorithm. / S. Manen, M. Guillaumin, L. V. Gool. // Computer Vision (ICCV), 2013 IEEE International Conference on. – IEEE. – 2013. – pp. 2536–2543.

38. Ouyang, V. Deepid-net: multi-stage and deformable deep convolutional neural networks for object detection. / W. Ouyang, P. Luo, X. Zeng, S. Qiu, Y. Tian, H. Li, S. Yang, Z. Wang, Y. Xiong, C. Qian, et al. // arXiv preprint arXiv:1409.3505. – 2014.

39. Russakovsky, O. Imagenet large scale visual recognition challenge. / O. Russakovsky, J. Deng, H. Su, J. Krause, S. Satheesh, S. Ma, Z. Huang, A. Karpathy, A. Khosla, M. Bernstein, et al. // 2014.