検出畳み込み層とは
検出畳み込み層（Detection Convolutional Layer）は、特にシングルステージの物体検出モデルにおいて、画像内の物体の種類（クラス）とその位置を示すバウンディングボックスを効率的に予測するために設計された特殊な畳み込み層です。
従来の画像分類モデルにおける最終的な全結合層の代わりに、特徴マップの空間的な各位置に予め定義されたデフォルトボックス（またはアンカーボックス）と組み合わせて用いられ、各デフォルトボックスがどの物体クラスに属するかの確率と、そのデフォルトボックスから実際の物体を囲むバウンディングボックスへの調整量（オフセット）を直接出力します。
検出畳み込み層 の基本概念
シングルステージの物体検出モデルは、画像全体を一度の順伝播処理で解析し、物体の検出を行います。この際、検出畳み込み層は、ネットワークの深い層で抽出された意味的な特徴マップを入力として受け取り、その特徴マップの各空間的な位置に対応する情報に基づいて、物体に関する予測を行います。
各特徴マップのセル（空間的な位置）に対して、複数の異なるサイズとアスペクト比を持つデフォルトボックスが関連付けられています。検出畳み込み層は、これらのデフォルトボックスそれぞれに対して、以下の二種類の情報を予測します。
- クラス確信度（Class Confidence Scores）: そのデフォルトボックス内に存在する物体が、事前に定義された各クラスに属する確率を示します。通常、複数のクラスに対応する確率が出力されます。
- バウンディングボックスのオフセット（Bounding Box Offsets）: デフォルトボックスの形状（中心座標、幅、高さ）を、実際に物体を囲む最適なバウンディングボックスの形状に調整するためのオフセット量を示します。このオフセットは、デフォルトボックスの相対的な変位として表現されます。
検出畳み込み層 の構造と動作
検出畳み込み層は、通常、入力となる特徴マップに対して、複数の畳み込み演算を並行して行います。これらの畳み込み演算は、各デフォルトボックスに対応する予測を行うために、特定の設定（フィルタサイズ、ストライド、パディングなど）が施されます。
具体的には、特徴マップの各空間的な位置において、N 個のデフォルトボックスが存在する場合、検出畳み込み層はその位置に対して、N×(C+4) 個の出力を生成します。ここで、C は物体のクラス数、4 はバウンディングボックスのオフセット（通常、中心のx座標、中心のy座標、幅、高さの4つのパラメータ）に対応します。
検出畳み込み層 の役割と重要性
- 効率的な物体検出: 画像全体の特徴マップに対して一度の畳み込み演算を行うだけで、複数のデフォルトボックスに対するクラス予測と位置予測を同時に行うため、二段階検出器と比較して高速な処理が可能です。
- 空間的な情報の保持: 特徴マップの空間的な情報を活用することで、画像内の異なる位置に存在する物体を区別し、それぞれのクラスと位置を予測できます。
- デフォルトボックスとの連携: 事前に定義された様々な形状のデフォルトボックスを利用することで、異なるアスペクト比やスケールの物体を効率的に捉えることができます。
- エンドツーエンド学習: ネットワーク全体が、入力画像から直接、物体のクラスとバウンディングボックスを予測するように学習されるため、個別の提案領域生成などの段階が不要となり、最適化が容易になります。
検出畳み込み層 を持つ代表的なモデル
- SSD (Single Shot MultiBox Detector): 異なるスケールの特徴マップに複数の検出畳み込み層を適用し、様々なサイズの物体を検出します。
- YOLO (You Only Look Once): 画像をグリッドに分割し、各グリッドセル内で複数のバウンディングボックスとクラス確率を同時に予測します。グリッドセルに対応する特徴マップ上で検出畳み込み層が機能します。
検出畳み込み層は、シングルステージ物体検出モデルの中核をなす要素であり、画像の特徴マップから直接、複数の物体のクラスと位置を予測する役割を担います。デフォルトボックスとの組み合わせにより、効率的かつ高精度な物体検出を実現し、リアルタイム処理が求められるアプリケーションなどにおいて重要な技術となっています。
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