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：