ROI Pooling层解析

川长思鸟来 2022-04-25 06:22 260阅读 0赞

## **ROI Pooling的意义** ##

ROIs Pooling顾名思义，是Pooling层的一种，而且是针对RoIs的Pooling，他的特点是**输入特征图**尺寸不固定，但是**输出特征图**尺寸固定；

什么是ROI呢？
    ROI是Region of Interest的简写，指的是在“特征图上的框”；
    1）在Fast RCNN中， RoI是指Selective Search完成后得到的“候选框”在特征图上的映射，如下图所示；
    2）在Faster RCNN中，候选框是经过RPN产生的，然后再把各个“候选框”映射到特征图上，得到RoIs。

![这里写图片描述][SouthEast]  
**图1 Fast RCNN整体结构**

往往经过rpn后输出的不止一个矩形框，所以这里我们是对多个ROI进行Pooling。

## **ROI Pooling的输入** ##

输入有两部分组成：  
1. 特征图：指的是图1中所示的特征图，在Fast RCNN中，它位于RoI Pooling之前，在Faster RCNN中，它是与RPN共享那个特征图，通常我们常常称之为“share\_conv”；  
2. rois：在Fast RCNN中，指的是Selective Search的输出；在Faster RCNN中指的是RPN的输出，一堆矩形候选框框，形状为1x5x1x1（4个坐标+索引index），其中值得注意的是：坐标的参考系不是针对feature map这张图的，而是针对**原图**的（神经网络最开始的输入）

## **ROI Pooling的输出** ##

输出是batch个vector，其中batch的值等于RoI的个数，vector的大小为channel \* w \* h；RoI Pooling的过程就是将一个个大小不同的box矩形框，都映射成大小固定（w \* h）的矩形框；

## **ROI Pooling的过程** ##

![这里写图片描述][SouthEast 1]  
如图所示，我们先把roi中的坐标映射到feature map上，映射规则比较简单，就是把各个坐标除以“输入图片与feature map的大小的比值”，得到了feature map上的box坐标后，我们使用Pooling得到输出；由于输入的图片大小不一，所以这里我们使用的类似Spp Pooling，在Pooling的过程中需要计算Pooling后的结果对应到feature map上所占的范围，然后在那个范围中进行取max或者取average。

**这是我个人的公共号：**  
讲解经典的深度学习方法~  
![这里写图片描述][SouthEast 2]

## **Caffe ROI Pooling的源码解析** ##

**1. LayerSetUp**

template <typename Dtype>
    void ROIPoolingLayer<Dtype>::LayerSetUp(const vector<Blob<Dtype>*>& bottom,
          const vector<Blob<Dtype>*>& top) {
      ROIPoolingParameter roi_pool_param = this->layer_param_.roi_pooling_param();
      //经过Pooling后的feature map的高
      pooled_height_ = roi_pool_param.pooled_h();
      //经过Pooling后的feature map的宽
      pooled_width_ = roi_pool_param.pooled_w();
      //输入图片与feature map之前的比值，这个feature map指roi pooling层的输入
      spatial_scale_ = roi_pool_param.spatial_scale();
    }

**2. Reshape**

template <typename Dtype>
    void ROIPoolingLayer<Dtype>::Reshape(const vector<Blob<Dtype>*>& bottom,
          const vector<Blob<Dtype>*>& top) {
      //输入的feature map的channel数
      channels_ = bottom[0]->channels();
      //输入的feature map的高
      height_ = bottom[0]->height();
      //输入的feature map的宽
      width_ = bottom[0]->width();
      //设置输出的形状NCHW，N=ROI的个数，C=channels_，H=pooled_height_，W=pooled_width_
      top[0]->Reshape(bottom[1]->num(), channels_, pooled_height_,
          pooled_width_);
      //max_idx_的形状与top一致
      max_idx_.Reshape(bottom[1]->num(), channels_, pooled_height_,
          pooled_width_);
    }

**3. Forward**

template <typename Dtype>
    void ROIPoolingLayer<Dtype>::Forward_cpu(const vector<Blob<Dtype>*>& bottom,
          const vector<Blob<Dtype>*>& top) {
      //输入有两部分组成，data和rois
      const Dtype* bottom_data = bottom[0]->cpu_data();
      const Dtype* bottom_rois = bottom[1]->cpu_data();
      // Number of ROIs
      int num_rois = bottom[1]->num();
      int batch_size = bottom[0]->num();
      int top_count = top[0]->count();
      Dtype* top_data = top[0]->mutable_cpu_data();
      caffe_set(top_count, Dtype(-FLT_MAX), top_data);
      int* argmax_data = max_idx_.mutable_cpu_data();
      caffe_set(top_count, -1, argmax_data);
    
      // For each ROI R = [batch_index x1 y1 x2 y2]: max pool over R
      for (int n = 0; n < num_rois; ++n) {
        int roi_batch_ind = bottom_rois[0];
        //把原图的坐标映射到feature map上面
        int roi_start_w = round(bottom_rois[1] * spatial_scale_);
        int roi_start_h = round(bottom_rois[2] * spatial_scale_);
        int roi_end_w = round(bottom_rois[3] * spatial_scale_);
        int roi_end_h = round(bottom_rois[4] * spatial_scale_);
        //计算每个roi在feature map上面的大小
        int roi_height = max(roi_end_h - roi_start_h + 1, 1);
        int roi_width = max(roi_end_w - roi_start_w + 1, 1);
        //pooling之后的feature map的一个值对应于pooling之前的feature map上的大小
        //注：由于roi的大小不一致，所以每次都需要计算一次
        const Dtype bin_size_h = static_cast<Dtype>(roi_height)
                                 / static_cast<Dtype>(pooled_height_);
        const Dtype bin_size_w = static_cast<Dtype>(roi_width)
                                 / static_cast<Dtype>(pooled_width_);
        //找到对应的roi的feature map，如果input data的batch size为1
        //那么roi_batch_ind=0
        const Dtype* batch_data = bottom_data + bottom[0]->offset(roi_batch_ind);
        //pooling的过程是针对每一个channel的，所以需要循环遍历
        for (int c = 0; c < channels_; ++c) {
          //计算output的每一个值，所以需要遍历一遍output，然后求出所有值
          for (int ph = 0; ph < pooled_height_; ++ph) {
            for (int pw = 0; pw < pooled_width_; ++pw) {
              // Compute pooling region for this output unit:
              //  start (included) = floor(ph * roi_height / pooled_height_)
              //  end (excluded) = ceil((ph + 1) * roi_height / pooled_height_)
              // 计算output上的一点对应于input上面区域的大小[hstart, wstart, hend, wend]
              int hstart = static_cast<int>(floor(static_cast<Dtype>(ph)
                                                  * bin_size_h));
              int hend = static_cast<int>(ceil(static_cast<Dtype>(ph + 1)
                                               * bin_size_h));
              int wstart = static_cast<int>(floor(static_cast<Dtype>(pw)
                                                  * bin_size_w));
              int wend = static_cast<int>(ceil(static_cast<Dtype>(pw + 1)
                                               * bin_size_w));
              //将映射后的区域平动到对应的位置[hstart, wstart, hend, wend]
              hstart = min(max(hstart + roi_start_h, 0), height_);
              hend = min(max(hend + roi_start_h, 0), height_);
              wstart = min(max(wstart + roi_start_w, 0), width_);
              wend = min(max(wend + roi_start_w, 0), width_);
              //如果映射后的矩形框不符合
              bool is_empty = (hend <= hstart) || (wend <= wstart);
              //pool_index指的是此时计算的output的值对应于output的位置
              const int pool_index = ph * pooled_width_ + pw;
              //如果矩形不符合，此处output的值设为0，此处的对应于输入区域的最大值为-1
              if (is_empty) {
                top_data[pool_index] = 0;
                argmax_data[pool_index] = -1;
              }
              //遍历output的值对应于input的区域块
              for (int h = hstart; h < hend; ++h) {
                for (int w = wstart; w < wend; ++w) {
                 // 对应于input上的位置
                  const int index = h * width_ + w;
                  //计算区域块的最大值，保存在output对应的位置上
                  //同时记录最大值的索引
                  if (batch_data[index] > top_data[pool_index]) {
                    top_data[pool_index] = batch_data[index];
                    argmax_data[pool_index] = index;
                  }
                }
              }
            }
          }
          // Increment all data pointers by one channel
          batch_data += bottom[0]->offset(0, 1);
          top_data += top[0]->offset(0, 1);
          argmax_data += max_idx_.offset(0, 1);
        }
        // Increment ROI data pointer
        bottom_rois += bottom[1]->offset(1);
      }
    }

[SouthEast]: /images/20220205/90e8e598ea734bde93c1e783ee4cf33a.png
[SouthEast 1]: /images/20220205/dc978e443112464990a0eaab0886ac11.png
[SouthEast 2]: /images/20220205/aef32094fc72424a818a75ee91f7cefa.png