《动手学》打卡挑战-task09

简介

ElitesAI·动手学深度学习PyTorch版
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本部分为Task09：目标检测基础；图像风格迁移；图像分类案例1，这一task还是比较基础的，主要还是前两个部分的内容，后一个是动手的例子。。

目标检测基础

锚框

目标检测算法通常会在输入图像中采样大量的区域，然后判断这些区域中是否包含我们感兴趣的目标，并调整区域边缘从而更准确地预测目标的真实边界框（ground-truth bounding box）。不同的模型使用的区域采样方法可能不同。这里我们介绍其中的一种方法：它以每个像素为中心生成多个大小和宽高比（aspect ratio）不同的边界框。这些边界框被称为锚框（anchor box）。

多个锚框

假设输入图像高为 $h$，宽为$w$。我们分别以图像的每个像素为中心生成不同形状的锚框。设大小为$s\in (0,1]$且宽高比为$r > 0$，那么锚框的宽和高将分别为$ws\sqrt{r}$和$hs/\sqrt{r}$。当中心位置给定时，已知宽和高的锚框是确定的。
下面我们分别设定好一组大小$s_1,\ldots,s_n$和一组宽高比$r_1,\ldots,r_m$。如果以每个像素为中心时使用所有的大小与宽高比的组合，输入图像将一共得到$whnm$个锚框。虽然这些锚框可能覆盖了所有的真实边界框，但计算复杂度容易过高。因此，我们通常只对包含$s_1$或$r_1$的大小与宽高比的组合感兴趣，即

$$(s_1, r_1), (s_1, r_2), \ldots, (s_1, r_m), (s_2, r_1), (s_3, r_1), \ldots, (s_n, r_1).$$

也就是说，以相同像素为中心的锚框的数量为$n+m-1$。对于整个输入图像，我们将一共生成$wh(n+m-1)$个锚框。

交并比(IOU)

我们刚刚提到某个锚框较好地覆盖了图像中的狗。如果该目标的真实边界框已知，这里的“较好”该如何量化呢？一种直观的方法是衡量锚框和真实边界框之间的相似度。我们知道，Jaccard系数（Jaccard index）可以衡量两个集合的相似度。给定集合$\mathcal{A}$和$\mathcal{B}$，它们的Jaccard系数即二者交集大小除以二者并集大小：

$$J(\mathcal{A},\mathcal{B}) = \frac{\left|\mathcal{A} \cap \mathcal{B}\right|}{\left| \mathcal{A} \cup \mathcal{B}\right|}.$$

实际上，我们可以把边界框内的像素区域看成是像素的集合。如此一来，我们可以用两个边界框的像素集合的Jaccard系数衡量这两个边界框的相似度。当衡量两个边界框的相似度时，我们通常将Jaccard系数称为交并比（Intersection over Union，IoU），即两个边界框相交面积与相并面积之比，如图9.2所示。交并比的取值范围在0和1之间：0表示两个边界框无重合像素，1表示两个边界框相等。

非极大值预制

非极大值抑制的工作原理：对于一个预测边界框$B$，模型会计算各个类别的预测概率。设其中最大的预测概率为$p$，该概率所对应的类别即$B$的预测类别。我们也将$p$称为预测边界框$B$的置信度。在同一图像上，我们将预测类别非背景的预测边界框按置信度从高到低排序，得到列表$L$。从$L$中选取置信度最高的预测边界框$B_1$作为基准，将所有与$B_1$的交并比大于某阈值的非基准预测边界框从$L$中移除。这里的阈值是预先设定的超参数。此时，$L$保留了置信度最高的预测边界框并移除了与其相似的其他预测边界框。
接下来，从$L$中选取置信度第二高的预测边界框$B_2$作为基准，将所有与$B_2$的交并比大于某阈值的非基准预测边界框从$L$中移除。重复这一过程，直到$L$中所有的预测边界框都曾作为基准。此时$L$中任意一对预测边界框的交并比都小于阈值。最终，输出列表$L$中的所有预测边界框。

小结

• 以每个像素为中心，生成多个大小和宽高比不同的锚框。
• 交并比是两个边界框相交面积与相并面积之比。
• 在训练集中，为每个锚框标注两类标签：一是锚框所含目标的类别；二是真实边界框相对锚框的偏移量。
• 预测时，可以使用非极大值抑制来移除相似的预测边界框，从而令结果简洁。

图像风格迁移

使用卷积神经网络自动将某图像中的样式应用在另一图像之上，即样式迁移（style transfer）。这里我们需要两张输入图像，一张是内容图像，另一张是样式图像，我们将使用神经网络修改内容图像使其在样式上接近样式图像。

图像风格迁移方法

首先，我们初始化合成图像，例如将其初始化成内容图像。该合成图像是样式迁移过程中唯一需要更新的变量，即样式迁移所需迭代的模型参数。然后，我们选择一个预训练的卷积神经网络来抽取图像的特征，其中的模型参数在训练中无须更新。深度卷积神经网络凭借多个层逐级抽取图像的特征。我们可以选择其中某些层的输出作为内容特征或样式特征。以图9.13为例，这里选取的预训练的神经网络含有3个卷积层，其中第二层输出图像的内容特征，而第一层和第三层的输出被作为图像的样式特征。接下来，我们通过正向传播（实线箭头方向）计算样式迁移的损失函数，并通过反向传播（虚线箭头方向）迭代模型参数，即不断更新合成图像。样式迁移常用的损失函数由3部分组成：内容损失（content loss）使合成图像与内容图像在内容特征上接近，样式损失（style loss）令合成图像与样式图像在样式特征上接近，而总变差损失（total variation loss）则有助于减少合成图像中的噪点。最后，当模型训练结束时，我们输出样式迁移的模型参数，即得到最终的合成图像。
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小结

• 样式迁移常用的损失函数由3部分组成：内容损失使合成图像与内容图像在内容特征上接近，样式损失令合成图像与样式图像在样式特征上接近，而总变差损失则有助于减少合成图像中的噪点。
• 可以通过预训练的卷积神经网络来抽取图像的特征，并通过最小化损失函数来不断更新合成图像。
• 用格拉姆矩阵表达样式层输出的样式。