计算机视觉的应用4-目标检测任务：利用Faster R-cnn+Resnet50+FPN模型对目标进行预测

大家好，我是微学AI，今天给大家介绍一下计算机视觉的应用4-目标检测任务，利用Faster Rcnn+Resnet50+FPN模型对目标进行预测，目标检测是计算机视觉三大任务中应用较为广泛的，Faster R-CNN 是一个著名的目标检测网络，其主要分为两个模块：Region Proposal Network (RPN) 和 Fast R-CNN。我将会详细介绍使用 ResNet50 作为基础网络并集成 FPN（Feature Pyramid Network）的 FasterRCNN 模型。这个模型可以写为 fasterrcnn_resnet50_fpn。

今天我来实现一下这个功能，每个人都可以操作，代码直接运行。

一、模型结构

1.ResNet50：ResNet是一个深度卷积神经网络，它利用残差块解决了训练过程中的梯度消失问题。ResNet50表示具有50层深度的ResNet模型。这个模型负责从原始图像提取特征。
2.FPN：FPN是一种特征处理架构，它生成多尺度的特征图来处理目标检测中不同大小的物体。FPN在卷积神经网络后面添加额外层来融合不同分辨率的特征，这有助于提高物体检测的准确性。
3.RPN：这是一个小型卷积网络，它在FPN生成的多尺度特征图上运行。RPN的主要目的是为下游的 Fast R-CNN 生成目标的候选框（Region of Interest，简称 RoI）。这是目标检测任务的第一阶段，RPN利用滑动窗口生成多个候选框，它会在不同尺度和纵横比的锚点上生成边界框。
4.Fast R-CNN：该模块接收 RPN 生成的候选框，利用 RoI Align，从不同尺度的特征金字塔图上提取特征，然后使用全连接层进行分类和边框回归。Fast R-CNN 输出检测到的目标类别及其边框位置。

二、模型原理

目标检测过程：特征提取（ResNet50）-> FPN -> RPN -> RoI -> Fast R-CNN。首先，ResNet50 提取原始图像的特征并将这些特征传递给 FPN。接着，FPN生成了多尺度的特征图以适应不同大小的物体。然后，RPN 在由特征金字塔生成的多尺度特征图上运行，生成一系列候选框。RPN的输出会作为 Fast R-CNN 的输入，利用RoI对候选框提取特征后，对结果进行分类和边框回归。

举例说明：

假设我们想将该模型用于自动驾驶场景，检测出行人、汽车和交通信号等。当我们用摄像头获取一帧图像时，首先将这个图像输入到 ResNet50，它会提取出有用的特征供后续进行目标检测。随后，FPN会生成不同尺度的特征图，从而提高对不同大小目标的检测能力。接下来，RPN从这些特征图中生成区域建议（候选框）。这些候选框包含了可能是我们关心物体的区域（行人、汽车等）。最后，Fast R-CNN 利用 RoI 从不同尺度特征图中提取候选框的特征，经过全连接层的处理后，对候选框进行分类和边框回归，最终输出检测结果。在自动驾驶场景下，该模型可以通过分析摄像头捕捉到的图像，快速准确地检测出行人、汽车、交通信号和其他障碍物等，从而帮助车辆做出正确的决策。

三、代码实现

import torchvision
from PIL import Image, ImageDraw, ImageFont
from coco_class import class_names

# 加载COCO数据集预训练模型
model = torchvision.models.detection.fasterrcnn_resnet50_fpn(pretrained=True)

# 设置模型为评估模式
model.eval()

# 加载图像并进行预处理
image = Image.open('banana.png')
transform = torchvision.transforms.Compose([
    torchvision.transforms.ToTensor(),
])
image_tensor = transform(image)
image_tensor = image_tensor[:3]
# 利用模型进行预测
predictions = model([image_tensor])

# 处理预测结果并输出
draw = ImageDraw.Draw(image)
font = ImageFont.truetype("arial.ttf", 30) # 设置字体大小和样式
for box, label, score in zip(predictions[0]['boxes'], predictions[0]['labels'], predictions[0]['scores']):
    if score > 0.5:
        draw.rectangle([(box[0], box[1]), (box[2], box[3])], outline='red')
        label_name = class_names[label.item()]
        draw.text((box[0], box[1]), str(label_name), fill='red', font=font) # 在图片上打印分类名称
image.show()

其中coco_class.py文件是加载coco数据集中的类别：

class_names = {
    0: 'background',
    1: 'person',
    2: 'bicycle',
    3: 'car',
    4: 'motorcycle',
    5: 'airplane',
    6: 'bus',
    7: 'train',
    8: 'truck',
    9: 'boat',
    10: 'traffic light',
    11: 'fire hydrant',
    12: 'N/A',
    13: 'stop sign',
    14: 'parking meter',
    15: 'bench',
    16: 'bird',
    17: 'cat',
    18: 'dog',
    19: 'horse',
    20: 'sheep',
    21: 'cow',
    22: 'elephant',
    23: 'bear',
    24: 'zebra',
    25: 'giraffe',
    26: 'N/A',
    27: 'backpack',
    28: 'umbrella',
    29: 'N/A',
    30: 'N/A',
    31: 'handbag',
    32: 'tie',
    33: 'suitcase',
    34: 'frisbee',
    35: 'skis',
    36: 'snowboard',
    37: 'sports ball',
    38: 'kite',
    39: 'baseball bat',
    40: 'baseball glove',
    41: 'skateboard',
    42: 'surfboard',
    43: 'tennis racket',
    44: 'bottle',
    45: 'N/A',
    46: 'wine glass',
    47: 'cup',
    48: 'fork',
    49: 'knife',
    50: 'spoon',
    51: 'bowl',
    52: 'banana',
    53: 'apple',
    54: 'sandwich',
    55: 'orange',
    56: 'broccoli',
    57: 'carrot',
    58: 'hot dog',
    59: 'pizza',
    60: 'donut',
    61: 'cake',
    62: 'chair',
    63: 'couch',
    64: 'potted plant',
    65: 'bed',
    66: 'N/A',
    67: 'dining table',
    68: 'N/A',
    69: 'N/A',
    70: 'toilet',
    71: 'N/A',
    72: 'tv',
    73: 'laptop',
    74: 'mouse',
    75: 'remote',
    76: 'keyboard',
    77: 'cell phone',
    78: 'microwave',
    79: 'oven',
    80: 'toaster',
    81: 'sink',
    82: 'refrigerator',
    83: 'N/A',
    84: 'book',
    85: 'clock',
    86: 'vase',
    87: 'scissors',
    88: 'teddy bear',
    89: 'hair drier',
    90: 'toothbrush'
}

运行结果：