# 主体检测
主体检测技术是目前应用非常广泛的一种检测技术，它指的是检测出图片中一个或者多个主体的坐标位置，然后将图像中的对应区域裁剪下来，进行识别，从而完成整个识别过程。主体检测是识别任务的前序步骤，可以有效提升识别精度。
本部分主要从数据集、模型选择和模型训练 3 个方面对该部分内容进行介绍。
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## 目录
- [1. 数据集](#1)
- [2. 模型选择](#2)
- [2.1 轻量级主体检测模型](#2.1)
- [2.2 服务端主体检测模型](#2.2)
- [3. 模型训练](#3)
- [3.1 环境准备](#3.1)
- [3.2 数据准备](#3.2)
- [3.3 配置文件改动和说明](#3.3)
- [3.4 启动训练](#3.4)
- [3.5 模型预测与调试](#3.5)
- [3.6 模型导出与预测部署](#3.6)
## 1. 数据集
在 PaddleClas 的识别任务中，训练主体检测模型时主要用到了以下几个数据集。
| 数据集 | 数据量 | 主体检测任务中使用的数据量 | 场景 | 数据集地址 |
| :------------: | :-------------: | :-------: | :-------: | :--------: |
| Objects365 | 170W | 6k | 通用场景 | [地址](https://www.objects365.org/overview.html) |
| COCO2017 | 12W | 5k | 通用场景 | [地址](https://cocodataset.org/) |
| iCartoonFace | 2k | 2k | 动漫人脸检测 | [地址](https://github.com/luxiangju-PersonAI/iCartoonFace) |
| LogoDet-3k | 3k | 2k | Logo 检测 | [地址](https://github.com/Wangjing1551/LogoDet-3K-Dataset) |
| RPC | 3k | 3k | 商品检测 | [地址](https://rpc-dataset.github.io/) |
在实际训练的过程中，将所有数据集混合在一起。由于是主体检测，这里将所有标注出的检测框对应的类别都修改为 `前景` 的类别，最终融合的数据集中只包含 1 个类别，即前景。
## 2. 模型选择
目标检测方法种类繁多，比较常用的有两阶段检测器（如 FasterRCNN 系列等）；单阶段检测器（如 YOLO、SSD 等）；anchor-free 检测器（如 PicoDet、FCOS 等）。PaddleDetection 中针对服务端使用场景，自研了 PP-YOLO 系列模型；针对端侧（CPU 和移动端等）使用场景，自研了 PicoDet 系列模型，在服务端和端侧均处于业界较为领先的水平。
基于上述研究，PaddleClas 中提供了 2 个通用主体检测模型，为轻量级与服务端主体检测模型，分别适用于端侧场景以及服务端场景。下面的表格中给出了在上述 5 个数据集上的平均 mAP 以及它们的模型大小、预测速度对比信息。
| 模型 | 模型结构 | 预训练模型下载地址 | inference模型下载地址 | mAP | inference模型大小(MB) | 单张图片预测耗时(不包含预处理)(ms) |
| :------------: | :-------------: | :------: | :-------: | :--------: | :-------: | :--------: |
| 轻量级主体检测模型 | PicoDet | [地址](https://paddle-imagenet-models-name.bj.bcebos.com/dygraph/rec/models/pretrain/picodet_PPLCNet_x2_5_mainbody_lite_v1.0_pretrained.pdparams) | [tar 格式文件地址](https://paddle-imagenet-models-name.bj.bcebos.com/dygraph/rec/models/inference/picodet_PPLCNet_x2_5_mainbody_lite_v1.0_infer.tar) [zip 格式文件地址](https://paddle-imagenet-models-name.bj.bcebos.com/dygraph/rec/models/inference/picodet_PPLCNet_x2_5_mainbody_lite_v1.0_infer.zip) | 40.1% | 30.1 | 29.8 |
| 服务端主体检测模型 | PP-YOLOv2 | [地址](https://paddle-imagenet-models-name.bj.bcebos.com/dygraph/rec/models/pretrain/ppyolov2_r50vd_dcn_mainbody_v1.0_pretrained.pdparams) | [tar 格式文件地址](https://paddle-imagenet-models-name.bj.bcebos.com/dygraph/rec/models/inference/ppyolov2_r50vd_dcn_mainbody_v1.0_infer.tar) [zip 格式文件地址](https://paddle-imagenet-models-name.bj.bcebos.com/dygraph/rec/models/inference/ppyolov2_r50vd_dcn_mainbody_v1.0_infer.zip) | 42.5% | 210.5 | 466.6 |
* 注意
* 由于部分解压缩软件在解压上述 `tar` 格式文件时存在问题，建议非命令行用户下载 `zip` 格式文件并解压。`tar` 格式文件建议使用命令 `tar xf xxx.tar` 解压。
* 速度评测机器的CPU具体信息为：`Intel(R) Xeon(R) Gold 6148 CPU @ 2.40GHz`，速度指标为开启 mkldnn ，线程数设置为 10 测试得到。
* 主体检测的预处理过程较为耗时，平均每张图在上述机器上的时间在 40~55 ms 左右，没有包含在上述的预测耗时统计中。
### 2.1 轻量级主体检测模型
PicoDet 由 [PaddleDetection](https://github.com/PaddlePaddle/PaddleDetection) 提出，是一个适用于 CPU 或者移动端场景的目标检测算法。具体地，它融合了下面一系列优化算法。
- [ATSS](https://arxiv.org/abs/1912.02424)
- [Generalized Focal Loss](https://arxiv.org/abs/2006.04388)
- 余弦学习率策略
- Cycle-EMA
- 轻量级检测 head
更多关于 PicoDet 的优化细节与 benchmark 可以参考 [PicoDet 系列模型介绍](https://github.com/PaddlePaddle/PaddleDetection/blob/develop/configs/picodet/README.md)。
在轻量级主体检测任务中，为了更好地兼顾检测速度与效果，我们使用 PPLCNet_x2_5 作为主体检测模型的骨干网络，同时将训练与预测的图像尺度修改为了 640x640，其余配置与 [picodet_lcnet_1_5x_416_coco.yml](https://github.com/PaddlePaddle/PaddleDetection/blob/develop/configs/picodet/more_config/picodet_lcnet_1_5x_416_coco.yml) 完全一致。将数据集更换为自定义的主体检测数据集，进行训练，最终得到检测模型。
### 2.2 服务端主体检测模型
PP-YOLO 由 [PaddleDetection](https://github.com/PaddlePaddle/PaddleDetection) 提出，从骨干网络、数据增广、正则化策略、损失函数、后处理等多个角度对 yolov3 模型进行深度优化，最终在“速度-精度”方面达到了业界领先的水平。具体地，优化的策略如下。
- 更优的骨干网络: ResNet50vd-DCN
- 更大的训练 batch size: 8 GPUs，每 GPU batch_size=24，对应调整学习率和迭代轮数
- [Drop Block](https://arxiv.org/abs/1810.12890)
- [Exponential Moving Average](https://www.investopedia.com/terms/e/ema.asp)
- [IoU Loss](https://arxiv.org/pdf/1902.09630.pdf)
- [Grid Sensitive](https://arxiv.org/abs/2004.10934)
- [Matrix NMS](https://arxiv.org/pdf/2003.10152.pdf)
- [CoordConv](https://arxiv.org/abs/1807.03247)
- [Spatial Pyramid Pooling](https://arxiv.org/abs/1406.4729)
- 更优的预训练模型
更多关于 PP-YOLO 的详细介绍可以参考：[PP-YOLO 模型](https://github.com/PaddlePaddle/PaddleDetection/blob/release%2F2.1/configs/ppyolo/README_cn.md)。
在服务端主体检测任务中，为了保证检测效果，我们使用 ResNet50vd-DCN 作为检测模型的骨干网络，使用配置文件 [ppyolov2_r50vd_dcn_365e_coco.yml](https://github.com/PaddlePaddle/PaddleDetection/blob/release/2.1/configs/ppyolo/ppyolov2_r50vd_dcn_365e_coco.yml) ，更换为自定义的主体检测数据集，进行训练，最终得到检测模型。
## 3. 模型训练
本节主要介绍怎样基于 PaddleDetection，基于自己的数据集，训练主体检测模型。
### 3.1 环境准备
下载 PaddleDetection 代码，安装 requirements。
```shell
cd
git clone https://github.com/PaddlePaddle/PaddleDetection.git
cd PaddleDetection
# 安装其他依赖
pip install -r requirements.txt
```
更多安装教程，请参考: [安装文档](https://github.com/PaddlePaddle/PaddleDetection/blob/release/2.1/docs/tutorials/INSTALL_cn.md)
### 3.2 数据准备
对于自定义数据集，首先需要将自己的数据集修改为 COCO 格式，可以参考[自定义检测数据集教程](https://github.com/PaddlePaddle/PaddleDetection/blob/release/2.1/static/docs/tutorials/Custom_DataSet.md)制作 COCO 格式的数据集。
主体检测任务中，所有的检测框均属于前景，在这里需要将标注文件中，检测框的 `category_id` 修改为 1，同时将整个标注文件中的 `categories` 映射表修改为下面的格式，即整个类别映射表中只包含`前景`类别。
```json
[{u'id': 1, u'name': u'foreground', u'supercategory': u'foreground'}]
```
### 3.3 配置文件改动和说明
我们使用 `configs/ppyolo/ppyolov2_r50vd_dcn_365e_coco.yml` 配置进行训练，配置文件摘要如下：
从上图看到 `ppyolov2_r50vd_dcn_365e_coco.yml` 配置需要依赖其他的配置文件，这些配置文件的含义如下:
```
coco_detection.yml：主要说明了训练数据和验证数据的路径
runtime.yml：主要说明了公共的运行参数，比如是否使用GPU、每多少个 epoch 存储 checkpoint 等
optimizer_365e.yml：主要说明了学习率和优化器的配置
ppyolov2_r50vd_dcn.yml：主要说明模型和主干网络的情况
ppyolov2_reader.yml：主要说明数据读取器配置，如 batch size，并发加载子进程数等，同时包含读取后预处理操作，如resize、数据增强等等
```
在主体检测任务中，需要将 `datasets/coco_detection.yml` 中的 `num_classes` 参数修改为 1 （只有 1 个前景类别），同时将训练集和测试集的路径修改为自定义数据集的路径。
此外，也可以根据实际情况，修改上述文件，比如，如果显存溢出，可以将 batch size 和学习率等比缩小等。
### 3.4 启动训练
PaddleDetection 提供了单卡/多卡训练模式，满足用户多种训练需求。
* GPU 单卡训练
```bash
# windows和Mac下不需要执行该命令
export CUDA_VISIBLE_DEVICES=0
python tools/train.py -c configs/ppyolo/ppyolov2_r50vd_dcn_365e_coco.yml
```
* GPU 多卡训练
```bash
export CUDA_VISIBLE_DEVICES=0,1,2,3
python -m paddle.distributed.launch --gpus 0,1,2,3 tools/train.py -c configs/ppyolo/ppyolov2_r50vd_dcn_365e_coco.yml --eval
```
--eval：表示边训练边验证。
* （**推荐**）模型微调
如果希望加载 PaddleClas 中已经训练好的主体检测模型，在自己的数据集上进行模型微调，可以使用下面的命令进行训练。
```bash
export CUDA_VISIBLE_DEVICES=0
# 指定pretrain_weights参数，加载通用的主体检测预训练模型
python tools/train.py -c configs/ppyolo/ppyolov2_r50vd_dcn_365e_coco.yml -o pretrain_weights=https://paddle-imagenet-models-name.bj.bcebos.com/dygraph/rec/models/pretrain/ppyolov2_r50vd_dcn_mainbody_v1.0_pretrained.pdparams
```
* 模型恢复训练
在日常训练过程中，有的用户由于一些原因导致训练中断，可以使用 `-r` 的命令恢复训练:
```bash
export CUDA_VISIBLE_DEVICES=0,1,2,3
python -m paddle.distributed.launch --gpus 0,1,2,3 tools/train.py -c configs/ppyolo/ppyolov2_r50vd_dcn_365e_coco.yml --eval -r output/ppyolov2_r50vd_dcn_365e_coco/10000
```
注意：如果遇到 "`Out of memory error`" 问题, 尝试在 `ppyolov2_reader.yml` 文件中调小 `batch_size`，同时等比例调小学习率。
### 3.5 模型预测与调试
使用下面的命令完成 PaddleDetection 的预测过程。
```bash
export CUDA_VISIBLE_DEVICES=0
python tools/infer.py -c configs/ppyolo/ppyolov2_r50vd_dcn_365e_coco.yml --infer_img=your_image_path.jpg --output_dir=infer_output/ --draw_threshold=0.5 -o weights=output/ppyolov2_r50vd_dcn_365e_coco/model_final
```
`--draw_threshold` 是个可选参数. 根据 [NMS](https://ieeexplore.ieee.org/document/1699659) 的计算，不同阈值会产生不同的结果 `keep_top_k` 表示设置输出目标的最大数量，默认值为 100 ，用户可以根据自己的实际情况进行设定。
### 3.6 模型导出与预测部署。
执行导出模型脚本：
```bash
python tools/export_model.py -c configs/ppyolo/ppyolov2_r50vd_dcn_365e_coco.yml --output_dir=./inference -o weights=output/ppyolov2_r50vd_dcn_365e_coco/model_final.pdparams
```
预测模型会导出到 `inference/ppyolov2_r50vd_dcn_365e_coco` 目录下，分别为 `infer_cfg.yml` (预测不需要), `model.pdiparams`, `model.pdiparams.info`, `model.pdmodel` 。
注意： `PaddleDetection` 导出的 inference 模型的文件格式为 `model.xxx`，这里如果希望与 PaddleClas 的 inference 模型文件格式保持一致，需要将其 `model.xxx` 文件修改为 `inference.xxx` 文件，用于后续主体检测的预测部署。
更多模型导出教程，请参考： [EXPORT_MODEL](https://github.com/PaddlePaddle/PaddleDetection/blob/release/2.1/deploy/EXPORT_MODEL.md)
最终，目录 `inference/ppyolov2_r50vd_dcn_365e_coco` 中包含 `inference.pdiparams`, `inference.pdiparams.info` 以及 `inference.pdmodel` 文件，其中 `inference.pdiparams` 为保存的 inference 模型权重文件， `inference.pdmodel` 为保存的 inference 模型结构文件。
导出模型之后，在主体检测与识别任务中，就可以将检测模型的路径更改为该 inference 模型路径，完成预测。
以商品识别为例，其配置文件为 [inference_product.yaml](../../../deploy/configs/inference_product.yaml) ，修改其中的 `Global.det_inference_model_dir` 字段为导出的主体检测 inference 模型目录，参考[图像识别快速开始教程](../quick_start/quick_start_recognition.md) ，即可完成商品检测与识别过程。
### FAQ
#### Q：可以使用其他的主体检测模型结构吗？
* A：可以的，但是目前的检测预处理过程仅适配了 PicoDet 以及 YOLO 系列的预处理，因此在使用的时候，建议优先使用这两个系列的模型进行训练，如果希望使用 Faster RCNN 等其他系列的模型，需要按照 PaddleDetection 的数据预处理，修改下预处理逻辑，这块如果您有需求或者有问题的话，欢迎提 issue 或者在微信群里反馈。
#### Q：可以修改主体检测的预测尺度吗？
* A：可以的，但是需要注意 2 个地方
* PaddleClas 中提供的主体检测模型是基于 `640x640` 的分辨率去训练的，因此预测的时候也是默认使用 `640x640` 的分辨率进行预测，使用其他分辨率预测的话，精度会有所降低。
* 在模型导出的时候，建议也修改下模型导出的分辨率，保持模型导出、模型预测的分辨率一致。
