【深度学习计算机视觉】03：目标检测和边界框

【作者主页】Francek Chen
【专栏介绍】$\lceil$PyTorch深度学习$\rfloor$ 深度学习 (DL, Deep Learning) 特指基于深层神经网络模型和方法的机器学习。它是在统计机器学习、人工神经网络等算法模型基础上，结合当代大数据和大算力的发展而发展出来的。深度学习最重要的技术特征是具有自动提取特征的能力。神经网络算法、算力和数据是开展深度学习的三要素。深度学习在计算机视觉、自然语言处理、多模态数据分析、科学探索等领域都取得了很多成果。本专栏介绍基于PyTorch的深度学习算法实现。
【GitCode】专栏资源保存在我的GitCode仓库：https://gitcode.com/Morse_Chen/PyTorch_deep_learning。

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  深度卷积神经网络（AlexNet）至含并行连接的网络（GoogLeNet）介绍了各种图像分类模型。在图像分类任务中，我们假设图像中只有一个主要物体对象，我们只关注如何识别其类别。然而，很多时候图像里有多个我们感兴趣的目标，我们不仅想知道它们的类别，还想得到它们在图像中的具体位置。在计算机视觉里，我们将这类任务称为目标检测（object detection）或目标识别（object recognition）。

  目标检测在多个领域中被广泛使用。例如，在无人驾驶里，我们需要通过识别拍摄到的视频图像里的车辆、行人、道路和障碍物的位置来规划行进线路。机器人也常通过该任务来检测感兴趣的目标。安防领域则需要检测异常目标，如歹徒或者炸弹。

  接下来的几节将介绍几种用于目标检测的深度学习方法。我们将首先介绍目标的位置。

%matplotlib inline
import torch
from d2l import torch as d2l

  下面加载本文将使用的示例图像。可以看到图像左边是一只狗，右边是一只猫。它们是这张图像里的两个主要目标。

d2l.set_figsize()
img = d2l.plt.imread('../img/catdog.jpg')
d2l.plt.imshow(img);

边界框

  在目标检测中，我们通常使用边界框（bounding box）来描述对象的空间位置。边界框是矩形的，由矩形左上角的以及右下角的$x$和$y$坐标决定。另一种常用的边界框表示方法是边界框中心的$(x,y)$轴坐标以及框的宽度和高度。

  在这里，我们定义在这两种表示法之间进行转换的函数：box_corner_to_center从两角表示法转换为中心宽度表示法，而box_center_to_corner反之亦然。输入参数boxes可以是长度为4的张量，也可以是形状为（$n$，4）的二维张量，其中$n$是边界框的数量。

#@save
def box_corner_to_center(boxes):"""从（左上，右下）转换到（中间，宽度，高度）"""x1, y1, x2, y2 = boxes[:, 0], boxes[:, 1], boxes[:, 2], boxes[:, 3]cx = (x1 + x2) / 2cy = (y1 + y2) / 2w = x2 - x1h = y2 - y1boxes = torch.stack((cx, cy, w, h), axis=-1)return boxes#@save
def box_center_to_corner(boxes):"""从（中间，宽度，高度）转换到（左上，右下）"""cx, cy, w, h = boxes[:, 0], boxes[:, 1], boxes[:, 2], boxes[:, 3]x1 = cx - 0.5 * wy1 = cy - 0.5 * hx2 = cx + 0.5 * wy2 = cy + 0.5 * hboxes = torch.stack((x1, y1, x2, y2), axis=-1)return boxes

  我们将根据坐标信息定义图像中狗和猫的边界框。图像中坐标的原点是图像的左上角，向右的方向为$x$轴的正方向，向下的方向为$y$轴的正方向。

# bbox是边界框的英文缩写
dog_bbox, cat_bbox = [60.0, 45.0, 378.0, 516.0], [400.0, 112.0, 655.0, 493.0]

  我们可以通过转换两次来验证边界框转换函数的正确性。

boxes = torch.tensor((dog_bbox, cat_bbox))
box_center_to_corner(box_corner_to_center(boxes)) == boxes

  我们可以将边界框在图中画出，以检查其是否准确。画之前，我们定义一个辅助函数bbox_to_rect。它将边界框表示成matplotlib的边界框格式。

#@save
def bbox_to_rect(bbox, color):# 将边界框(左上x,左上y,右下x,右下y)格式转换成matplotlib格式：# ((左上x,左上y),宽,高)return d2l.plt.Rectangle(xy=(bbox[0], bbox[1]), width=bbox[2]-bbox[0], height=bbox[3]-bbox[1],fill=False, edgecolor=color, linewidth=2)

  在图像上添加边界框之后，我们可以看到两个物体的主要轮廓基本上在两个框内。

fig = d2l.plt.imshow(img)
fig.axes.add_patch(bbox_to_rect(dog_bbox, 'blue'))
fig.axes.add_patch(bbox_to_rect(cat_bbox, 'red'));

小结

• 目标检测不仅可以识别图像中所有感兴趣的物体，还能识别它们的位置，该位置通常由矩形边界框表示。
• 我们可以在两种常用的边界框表示（中间，宽度，高度）和（左上，右下）坐标之间进行转换。