論文題目：Feature Pyramid Networks for Object Detection

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一、FPN初探

1. 圖像金字塔

圖1 圖像金字塔

圖2 高斯金字塔效果

如上圖所示，這是一個圖像金字塔，做CV的你肯定很熟悉，因為在很多的經典算法里面都有它的身影，比如SIFT、HOG等算法。我們常用的是高斯金字塔，所謂的高斯金字塔是通過高斯平滑和亞采樣獲得一些下采樣圖像，也就是說第K層高斯金字塔通過平滑、亞采樣操作就可以獲得K+1層高斯圖像，高斯金字塔包含了一系列低通濾波器，其截止頻率從上一層到下一層是以因子2逐漸增加，所以高斯金字塔可以跨越很大的頻率范圍。總之，我們輸入一張圖片，我們可以獲得多張不同尺度的圖像，我們將這些不同尺度的圖像的4個頂點連接起來，就可以構造出一個類似真實金字塔的一個圖像金字塔。通過這個操作，我們可以為2維圖像增加一個尺度維度（或者說是深度），這樣我們可以從中獲得更多的有用信息。整個過程類似于人眼看一個目標由遠及近的過程（近大遠小原理）。如圖2所示，我們可以看到一個圖像金字塔，中間是原始圖像，最上邊是下采樣后的圖像，最下邊是上采樣后的圖像。你可以將其對應到圖1中的不同層中。

2. 為什么需要構造特征金字塔？

圖3 特征金字塔

前面已經提到了高斯金字塔，由于它可以在一定程度上面提高算法的性能，因此很多經典的算法中都包含它。但是這些都是在傳統的算法中使用，當然也可以將這種方法直應用在深度神經網絡上面，但是由于它需要大量的運算和大量的內存。但是我們的特征金字塔可以在速度和準確率之間進行權衡，可以通過它獲得更加魯棒的語義信息，這是其中的一個原因。

如上圖所示，我們可以看到我們的圖像中存在不同尺寸的目標，而不同的目標具有不同的特征，利用淺層的特征就可以將簡單的目標的區分開來；利用深層的特征可以將復雜的目標區分開來；這樣我們就需要這樣的一個特征金字塔來完成這件事。圖中我們在第1層（請看綠色標注）輸出較大目標的實例分割結果，在第2層輸出次大目標的實例檢測結果，在第3層輸出較小目標的實例分割結果。檢測也是一樣，我們會在第1層輸出簡單的目標，第2層輸出較復雜的目標，第3層輸出復雜的目標。

3. 為什么要提出FPN算法？

圖4 不同方案的金字塔

識別不同大小的物體是計算機視覺中的一個基本挑戰，我們常用的解決方案是構造多尺度金字塔。如上圖a所示，這是一個特征圖像金字塔，整個過程是先對原始圖像構造圖像金字塔，然后在圖像金字塔的每一層提出不同的特征，然后進行相應的預測（BB的位置）。這種方法的缺點是計算量大，需要大量的內存；優點是可以獲得較好的檢測精度。它通常會成為整個算法的性能瓶頸，由于這些原因，當前很少使用這種算法。如上圖b所示，這是一種改進的思路，學者們發現我們可以利用卷積網絡本身的特性，即對原始圖像進行卷積和池化操作，通過這種操作我們可以獲得不同尺寸的feature map，這樣其實就類似于在圖像的特征空間中構造金字塔。實驗表明，淺層的網絡更關注于細節信息，高層的網絡更關注于語義信息，而高層的語義信息能夠幫助我們準確的檢測出目標，因此我們可以利用最后一個卷積層上的feature map來進行預測。這種方法存在于大多數深度網絡中，比如VGG、ResNet、Inception，它們都是利用深度網絡的最后一層特征來進行分類。這種方法的優點是速度快、需要內存少。它的缺點是我們僅僅關注深層網絡中最后一層的特征，卻忽略了其它層的特征，但是細節信息可以在一定程度上提升檢測的精度。因此有了圖c所示的架構，它的設計思想就是同時利用低層特征和高層特征，分別在不同的層同時進行預測，這是因為我的一幅圖像中可能具有多個不同大小的目標，區分不同的目標可能需要不同的特征，對于簡單的目標我們僅僅需要淺層的特征就可以檢測到它，對于復雜的目標我們就需要利用復雜的特征來檢測它。整個過程就是首先在原始圖像上面進行深度卷積，然后分別在不同的特征層上面進行預測。它的優點是在不同的層上面輸出對應的目標，不需要經過所有的層才輸出對應的目標（即對于有些目標來說，不需要進行多余的前向操作），這樣可以在一定程度上對網絡進行加速操作，同時可以提高算法的檢測性能。它的缺點是獲得的特征不魯棒，都是一些弱特征（因為很多的特征都是從較淺的層獲得的）。講了這么多終于輪到我們的FPN啦，它的架構如圖d所示，整個過程如下所示，首先我們在輸入的圖像上進行深度卷積，然后對Layer2上面的特征進行降維操作（即添加一層1x1的卷積層），對Layer4上面的特征就行上采樣操作，使得它們具有相應的尺寸，然后對處理后的Layer2和處理后的Layer4執行加法操作（對應元素相加），將獲得的結果輸入到Layer5中去。其背后的思路是為了獲得一個強語義信息，這樣可以提高檢測性能。認真的你可能觀察到了，這次我們使用了更深的層來構造特征金字塔，這樣做是為了使用更加魯棒的信息；除此之外，我們將處理過的低層特征和處理過的高層特征進行累加，這樣做的目的是因為低層特征可以提供更加準確的位置信息，而多次的降采樣和上采樣操作使得深層網絡的定位信息存在誤差，因此我們將其結合其起來使用，這樣我們就構建了一個更深的特征金字塔，融合了多層特征信息，并在不同的特征進行輸出。這就是上圖的詳細解釋。（個人觀點而已）

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二、FPN框架解析

1.? 利用FPN構建Faster R-CNN檢測器步驟

• 首先，選擇一張需要處理的圖片，然后對該圖片進行預處理操作；
• 然后，將處理過的圖片送入預訓練的特征網絡中（如ResNet等），即構建所謂的bottom-up網絡；
• 接著，如圖5所示，構建對應的top-down網絡（即對層4進行上采樣操作，先用1x1的卷積對層2進行降維處理，然后將兩者相加（對應元素相加），最后進行3x3的卷積操作，最后）；
• 接著，在圖中的4、5、6層上面分別進行RPN操作，即一個3x3的卷積后面分兩路，分別連接一個1x1的卷積用來進行分類和回歸操作；
• 接著，將上一步獲得的候選ROI分別輸入到4、5、6層上面分別進行ROI Pool操作（固定為7x7的特征）；
• 最后，在上一步的基礎上面連接兩個1024層的全連接網絡層，然后分兩個支路，連接對應的分類層和回歸層；

圖5 FPN整體架構

注：層1、2、3對應的支路就是bottom-up網絡，就是所謂的預訓練網絡，文中使用了ResNet網絡；由于整個流向是自底向上的，所以我們叫它bottom-up；層4、5、6對應的支路就是所謂的top-down網絡，是FPN的核心部分，名字的來由也很簡單。

?2. 為什么FPN能夠很好的處理小目標？

圖6 FPN處理小目標

如上圖所示，FPN能夠很好地處理小目標的主要原因是：

• FPN可以利用經過top-down模型后的那些上下文信息（高層語義信息）；
• 對于小目標而言，FPN增加了特征映射的分辨率（即在更大的feature map上面進行操作，這樣可以獲得更多關于小目標的有用信息），如圖中所示；

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三、 FPN性能評估

1. FPN效果定量評估

表1 Faster R-CNN+FPN結果

如上表所示，我們可以看到當我們使用相同的預訓練網絡、相同的RPN網絡、Fast R-CNN使用不同的方法時，我們的特征層由原來的C4或者C5變化為現在的特征集合Pk，同時FPN方案使用了橫向連接（lateral）和top-down模型，算法的性能有了大幅度上升，與a相比提升了2.2個百分點，與b相比提升了4.0個百分點（AP@0.5）；對于APs，提升了5.9個百分點；對于APm，提升了5.3個百分點。這也說明了FPN能夠提升小目標的檢測效果。

表2 FPN高效訓練結果

觀察表2，我們可以看到使用FPN的Fast R-CNN+FPN和沒有使用FPN的Fast R-CNN方案之間的差別，首先我們的特征維度由1024減少到256維（這樣可以大大的減少一些運算量，包括前向和反向運算）；我們利用2個MLP層取代了Conv5，作為我們的頭分類器；我們的訓練時間由原來的44.6小時減少到現在的10.6小時，速度大概提升了4倍；我們的推理時間由原來的0.32s減少到現在的0.15s；最后，我們的準確率提升了2.0個百分點。主要的原因是因為我們通過FPN獲得了更加魯邦的高層語義特征，它使得我們的學習過程更加高效。

表3 COCO數據集結果展示

如上表所示，我們測試了FPN算法在COCO數據集上面的性能表現，使用了FPN的Faster R-CNN方法獲得了很多的最佳指標，尤其是在APs指標上面。總之，我們獲得了最好的單模型準確率。

表4 使用了FPN的RPN效果

如上表所示，我們比較了比較了FPN+RPN和RPN這兩種方案，我們可以看到我們的性能有了大幅度的提升。

表5 top-down和lateral的重要性

在表5中，我們驗證了top-down模型和Lateral連接的重要性，同時使用兩者的FPN方案取得了最好的結果。相對來講，Lateral連接起到了更好的效果。

表7 FPN在實例分割上面的效果

由于FPN是一個特征金字塔，具有很好地泛華能力，可以利用到很多利用深度學習網絡的方法中去，包括目標檢測、實例分割等。如上表所示，使用了FPN的DeepMask方法可以不僅可以獲得性能的提升，同時可以獲得速度的提升。（不同的目標在不同的層上面生成對應的Mask）

2. FPN效果定性評估

圖8 FPN實例分割結果

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四、 FPN總結

• FPN 構架了一個可以進行端到端訓練的特征金字塔；
• 通過CNN網絡的層次結構高效的進行強特征計算；
• 通過結合bottom-up與top-down方法獲得較強的語義特征，提高目標檢測和實例分割在多個數據集上面的性能表現；
• FPN這種架構可以靈活地應用在不同地任務中去，包括目標檢測、實例分割等；

以下是FPN網絡的架構細節圖。

圖9 Faster R-CNN+FPN細節圖

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參考文獻

[1] FPN對應的poster，參考鏈接；

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的FPN详解的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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