目标检测和边界框¶
:label:sec_bbox
前面的章节（例如 :numref:sec_alexnet— :numref:sec_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
下面加载本节将使用的示例图像。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('../upload/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) / 2
cy = (y1 + y2) / 2
w = x2 - x1
h = y2 - y1
boxes = 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 * w
y1 = cy - 0.5 * h
x2 = cx + 0.5 * w
y2 = cy + 0.5 * h
boxes = 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
tensor([\[True, True, True, True],
[True, True, True, True]\])
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'));
