【Network Architecture】Feature Pyramid Networks for Object Detection(FPN)论文解析（转）

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0. 前言

  这篇论文提出了一种新的特征融合方式来解决多尺度问题， 感觉挺有创新性的， 如果需要与其他网络进行拼接，还是需要再回到原文看一下细节。这里转了两篇比较好的博客作为备忘。

1. 博客一

这篇论文是CVPR2017年的文章，采用特征金字塔做目标检测，有许多亮点，特来分享。

论文：feature pyramid networks for object detection

论文链接：https://arxiv.org/abs/1612.03144

论文概述：

作者提出的多尺度的object detection算法：FPN（feature pyramid networks）。原来多数的object detection算法都是只采用顶层特征做预测，但我们知道低层的特征语义信息比较少，但是目标位置准确；高层的特征语义信息比较丰富，但是目标位置比较粗略。另外虽然也有些算法采用多尺度特征融合的方式，但是一般是采用融合后的特征做预测，而本文不一样的地方在于预测是在不同特征层独立进行的。

代码的话应该过段时间就会开源。

论文详解：

下图FIg1展示了4种利用特征的形式：

（a）图像金字塔，即将图像做成不同的scale，然后不同scale的图像生成对应的不同scale的特征。这种方法的缺点在于增加了时间成本。有些算法会在测试时候采用图像金字塔。

（b）像SPP net，Fast RCNN，Faster RCNN是采用这种方式，即仅采用网络最后一层的特征。

（c）像SSD（Single Shot Detector）采用这种多尺度特征融合的方式，没有上采样过程，即从网络不同层抽取不同尺度的特征做预测，这种方式不会增加额外的计算量。作者认为SSD算法中没有用到足够低层的特征（在SSD中，最低层的特征是VGG网络的conv4_3），而在作者看来足够低层的特征对于检测小物体是很有帮助的。

（d）本文作者是采用这种方式，顶层特征通过上采样和低层特征做融合，而且每层都是独立预测的。

如下图Fig2。上面一个带有skip connection的网络结构在预测的时候是在finest level（自顶向下的最后一层）进行的，简单讲就是经过多次上采样并融合特征到最后一步，拿最后一步生成的特征做预测。而下面一个网络结构和上面的类似，区别在于预测是在每一层中独立进行的。后面有这两种结构的实验结果对比，非常有意思，因为之前只见过使用第一种特征融合的方式。

作者的主网络采用ResNet。

作者的算法大致结构如下Fig3：一个自底向上的线路，一个自顶向下的线路，横向连接（lateral connection）。图中放大的区域就是横向连接，这里1*1的卷积核的主要作用是减少卷积核的个数，也就是减少了feature map的个数，并不改变feature map的尺寸大小。

自底向上其实就是网络的前向过程。在前向过程中，feature map的大小在经过某些层后会改变，而在经过其他一些层的时候不会改变，作者将不改变feature map大小的层归为一个stage，因此每次抽取的特征都是每个stage的最后一个层输出，这样就能构成特征金字塔。

自顶向下的过程采用上采样（upsampling）进行，而横向连接则是将上采样的结果和自底向上生成的相同大小的feature map进行融合（merge）。在融合之后还会再采用3*3的卷积核对每个融合结果进行卷积，目的是消除上采样的混叠效应（aliasing effect）。并假设生成的feature map结果是P2，P3，P4，P5，和原来自底向上的卷积结果C2，C3，C4，C5一一对应。

贴一个ResNet的结构图：这里作者采用Conv2，CONV3，CONV4和CONV5的输出。因此类似Conv2就可以看做一个stage。

作者一方面将FPN放在RPN网络中用于生成proposal，原来的RPN网络是以主网络的某个卷积层输出的feature map作为输入，简单讲就是只用这一个尺度的feature map。但是现在要将FPN嵌在RPN网络中，生成不同尺度特征并融合作为RPN网络的输入。在每一个scale层，都定义了不同大小的anchor，对于P2，P3，P4，P5，P6这些层，定义anchor的大小为32^2,64^2,128^2,256^2，512^2，另外每个scale层都有3个长宽对比度：1:2，1:1，2:1。所以整个特征金字塔有15种anchor。

正负样本的界定和Faster RCNN差不多：如果某个anchor和一个给定的ground truth有最高的IOU或者和任意一个Ground truth的IOU都大于0.7，则是正样本。如果一个anchor和任意一个ground truth的IOU都小于0.3，则为负样本。

看看加入FPN的RPN网络的有效性，如下表Table1。网络这些结果都是基于ResNet-50。评价标准采用AR，AR表示Average Recall，AR右上角的100表示每张图像有100个anchor，AR的右下角s，m，l表示COCO数据集中object的大小分别是小，中，大。feature列的大括号{}表示每层独立预测。

从（a）（b）（c）的对比可以看出FRN的作用确实很明显。另外（a）和（b）的对比可以看出高层特征并非比低一层的特征有效。

（d）表示只有横向连接，而没有自顶向下的过程，也就是仅仅对自底向上（bottom-up）的每一层结果做一个1*1的横向连接和3*3的卷积得到最终的结果，有点像Fig1的（b）。从feature列可以看出预测还是分层独立的。作者推测（d）的结果并不好的原因在于在自底向上的不同层之间的semantic gaps比较大。

（e）表示有自顶向下的过程，但是没有横向连接，即向下过程没有融合原来的特征。这样效果也不好的原因在于目标的location特征在经过多次降采样和上采样过程后变得更加不准确。

（f）采用finest level层做预测（参考Fig2的上面那个结构），即经过多次特征上采样和融合到最后一步生成的特征用于预测，主要是证明金字塔分层独立预测的表达能力。显然finest level的效果不如FPN好，原因在于PRN网络是一个窗口大小固定的滑动窗口检测器，因此在金字塔的不同层滑动可以增加其对尺度变化的鲁棒性。另外（f）有更多的anchor，说明增加anchor的数量并不能有效提高准确率。

另一方面将FPN用于Fast R-CNN的检测部分。除了（a）以外，分类层和卷积层之前添加了2个1024维的全连接层。细节地方可以等代码出来后再研究。

实验结果如下表Table2，这里是测试Fast R-CNN的检测效果，所以proposal是固定的（采用Table1（c）的做法）。与Table1的比较类似，（a）（b）（c）的对比证明在基于区域的目标卷积问题中，特征金字塔比单尺度特征更有效。（c）（f）的差距很小，作者认为原因是ROI pooling对于region的尺度并不敏感。因此并不能一概认为（f）这种特征融合的方式不好，博主个人认为要针对具体问题来看待，像上面在RPN网络中，可能（f）这种方式不大好，但是在Fast RCNN中就没那么明显。

同理，将FPN用于Faster RCNN的实验结果如下表Table3。

下表Table4是和近几年在COCO比赛上排名靠前的算法的对比。注意到本文算法在小物体检测上的提升是比较明显的。

另外作者强调这些实验并没有采用其他的提升方法（比如增加数据集，迭代回归，hard negative mining），因此能达到这样的结果实属不易。

总结

作者提出的FPN（Feature Pyramid Network）算法同时利用低层特征高分辨率和高层特征的高语义信息，通过融合这些不同层的特征达到预测的效果。并且预测是在每个融合后的特征层上单独进行的，这和常规的特征融合方式不同。

期待代码

2.。 博客二

论文地址：Feature Pyramid Networks for Object Detection

Github: https://github.com/BigcowPeking/FPN

前言

这篇论文主要使用特征金字塔网络来融合多层特征，改进了CNN特征提取。论文在Fast/Faster R-CNN上进行了实验，在COCO数据集上刷到了第一的位置，意味着其在小目标检测上取得了很大的进步。论文整体思想比较简单，但是实验部分非常详细和充分。此博文对主要内容进行了翻译和理解工作，不足之处，欢迎讨论。

摘要

特征金字塔是多尺度目标检测系统中的一个基本组成部分。近年来深度学习目标检测却有意回避这一技巧，部分原因是特征金字塔在计算量和用时上很敏感（一句话，太慢）。这篇文章，作者利用了深度卷积神经网络固有的多尺度、多层级的金字塔结构去构建特征金字塔网络。使用一种自上而下的侧边连接，在所有尺度构建了高级语义特征图，这种结构就叫特征金字塔网络（FPN）。其在特征提取上改进明显，把FPN用在Faster R-CNN上，在COCO数据集上，一举超过了目前所有的单模型（single-model）检测方法，而且在GPU上可以跑到5帧。代码暂未开源。

概述

多尺度目标检测是计算机视觉领域的一个基础且具挑战性的课题。在图像金字塔基础上构建的特征金字塔（featurized image pyramids ,Figure1[a]）是传统解决思路，具有一定意义的尺度不变性。直观上看，这种特性使得模型可以检测大范围尺度的图像。

Featurized image pyramids 主要在人工特征中使用，比如DPM就要用到它产生密集尺度的样本以提升检测水平。目前人工特征式微，深度学习的CNN特征成为主流，CNN特征的鲁棒性很好，刻画能力强。即使如此，仍需要金字塔结构去进一步提升准确性，尤其在多尺度检测上。金字塔结构的优势是其产生的特征每一层都是语义信息加强的，包括高分辨率的低层。

对图像金字塔每一层都处理有很大的局限性，首先运算耗时会增加4倍，训练深度网络的时候太吃显存，几乎没法用，即使用了，也只能在检测的时候。因为这些原因，Fast/Faster R-CNN 都没使用featurized image pyramids 。

当然，图像金字塔并不是多尺度特征表征的唯一方式，CNN计算的时候本身就存在多级特征图（feature map hierarchy），且不同层的特征图尺度就不同，形似金字塔结构（Figure1[b]）。结构上虽不错，但是前后层之间由于不同深度（depths）影响，语义信息差距太大，主要是高分辨率的低层特征很难有代表性的检测能力。

SSD方法在借鉴利用featurized image pyramid上很是值得说，为了避免利用太低层的特征，SSD从偏后的conv4_3开始，又往后加了几层，分别抽取每层特征，进行综合利用（Figure1[c]）。但是SSD对于高分辨率的底层特征没有再利用，而这些层对于检测小目标很重要。

这篇论文的特征金字塔网络（Figure1[d]）做法很简单，如下图所示。把低分辨率、高语义信息的高层特征和高分辨率、低语义信息的低层特征进行自上而下的侧边连接，使得所有尺度下的特征都有丰富的语义信息。这种结构是在CNN网络中完成的，和前文提到的基于图片的金字塔结构不同，而且完全可以替代它。

本文特征金字塔网络自上而下的结构，和某些论文有一定的相似之处，但二者目的不尽不同。作者做了检测和分割实验，COCO数据集的结果超过了现有水平，具体结果参见论文中实验部分。值得说的是，本文方法在训练的时间和显存使用上都是可接受的，检测的时间也没增加。

上图简要说下：（作者的创新之处就在于既使用了特征金字塔，又搞了分层预测） 
(a) 用图片金字塔生成特征金字塔 
(b) 只在特征最上层预测 
(c) 特征层分层预测 
(d) FPN从高层携带信息传给底层，再分层预测

特征金字塔网络

论文的目标是利用CNN的金字塔层次结构特性（具有从低到高级的语义），构建具有高级语义的特征金字塔。得到的特征金字塔网络（FPN）是通用的，但在论文中，作者先在RPN网络和Fast R-CNN中使用这一成果，也将其用在instance segmentation proposals 中。

该方法将任意一张图片作为输入，以全卷积的方式在多个层级输出成比例大小的特征图，这是独立于CNN骨干架构（本文为ResNets）的。具体结构如图Figure 2。

自下而上的路径

CNN的前馈计算就是自下而上的路径，特征图经过卷积核计算，通常是越变越小的，也有一些特征层的输出和原来大小一样，称为“相同网络阶段”（same network stage ）。对于本文的特征金字塔，作者为每个阶段定义一个金字塔级别， 然后选择每个阶段的最后一层的输出作为特征图的参考集。 这种选择是很自然的，因为每个阶段的最深层应该具有最强的特征。具体来说，对于ResNets，作者使用了每个阶段的最后一个残差结构的特征激活输出。将这些残差模块输出表示为{C2, C3, C4, C5}，对应于conv2，conv3，conv4和conv5的输出，并且注意它们相对于输入图像具有{4, 8, 16, 32}像素的步长。考虑到内存占用，没有将conv1包含在金字塔中。

自上而下的路径和横向连接

自上而下的路径（the top-down pathway ）是如何去结合低层高分辨率的特征呢？方法就是，把更抽象，语义更强的高层特征图进行上取样，然后把该特征横向连接（lateral connections ）至前一层特征，因此高层特征得到加强。值得注意的是，横向连接的两层特征在空间尺寸上要相同。这样做应该主要是为了利用底层的定位细节信息。

Figure 3显示连接细节。把高层特征做2倍上采样（最邻近上采样法），然后将其和对应的前一层特征结合（前一层要经过1 * 1的卷积核才能用，目的是改变channels，应该是要和后一层的channels相同），结合方式就是做像素间的加法。重复迭代该过程，直至生成最精细的特征图。迭代开始阶段，作者在C5层后面加了一个1 * 1的卷积核来产生最粗略的特征图，最后，作者用3 * 3的卷积核去处理已经融合的特征图（为了消除上采样的混叠效应），以生成最后需要的特征图。{C2, C3, C4, C5}层对应的融合特征层为{P2, P3, P4, P5}，对应的层空间尺寸是相通的。

金字塔结构中所有层级共享分类层（回归层），就像featurized image pyramid 中所做的那样。作者固定所有特征图中的维度（通道数，表示为d）。作者在本文中设置d = 256，因此所有额外的卷积层（比如P2）具有256通道输出。 这些额外层没有用非线性（博主：不知道具体所指），而非线性会带来一些影响。

实际应用

本文方法在理论上早CNN中是通用的，作者将其首先应用到了RPN和Fast R-CNN中，应用中尽量做较小幅度的修改。

Faster R-CNN+Resnet-101

要想明白FPN如何应用在RPN和Fast R-CNN（合起来就是Faster R-CNN），首先要明白Faster R-CNN+Resnet-101的结构，这部分在是论文中没有的，博主试着用自己的理解说一下。

直接理解就是把Faster-RCNN中原有的VGG网络换成ResNet-101，ResNet-101结构如下图：

Faster-RCNN利用conv1到conv4-x的91层为共享卷积层，然后从conv4-x的输出开始分叉，一路经过RPN网络进行区域选择，另一路直接连一个ROI Pooling层，把RPN的结果输入ROI Pooling层，映射成7 * 7的特征。然后所有输出经过conv5-x的计算，这里conv5-x起到原来全连接层（fc）的作用。最后再经分类器和边框回归得到最终结果。整体框架用下图表示：

RPN中的特征金字塔网络

RPN是Faster R-CNN中用于区域选择的子网络，具体原理就不详细解释了，可阅读论文和参考博客：faster-rcnn 之 RPN网络的结构解析 。

RPN是在一个13 * 13 * 256的特征图上应用9种不同尺度的anchor，本篇论文另辟蹊径，把特征图弄成多尺度的，然后固定每种特征图对应的anchor尺寸，很有意思。也就是说，作者在每一个金字塔层级应用了单尺度的anchor，{P2, P3, P4, P5, P6}分别对应的anchor尺度为{32^2, 64^2, 128^2, 256^2, 512^2 }，当然目标不可能都是正方形，本文仍然使用三种比例{1:2, 1:1, 2:1}，所以金字塔结构中共有15种anchors。这里，博主尝试画一下修改后的RPN结构（没有完整画出来，大概就是这样）：

训练中，把重叠率（IoU）高于0.7的作为正样本，低于0.3的作为负样本。特征金字塔网络之间有参数共享，其优秀表现使得所有层级具有相似程度的语义信息。具体性能在实验中评估。

Fast R-CNN 中的特征金字塔网络

Fast R-CNN的具体原理也不详解了，参考博客：Fast R-CNN论文详解 ，其中很重要的是ROI Pooling层，需要对不同层级的金字塔制定不同尺度的ROI。

此部分的理解不太肯定，请各位辩证看待。博主认为，这里要把视角转换一下，想象成有一种图片金字塔在起作用。我们知道，ROI Pooling层使用region proposal的结果和中间的某一特征图作为输入，得到的结果经过分解后分别用于分类结果和边框回归。

然后作者想的是，不同尺度的ROI，使用不同特征层作为ROI pooling层的输入，大尺度ROI就用后面一些的金字塔层，比如P5；小尺度ROI就用前面一点的特征层，比如P4。那怎么判断ROI改用那个层的输出呢？这里作者定义了一个系数Pk，其定义为：

224是ImageNet的标准输入，k0是基准值，设置为5，代表P5层的输出（原图大小就用P5层），w和h是ROI区域的长和宽，假设ROI是112 * 112的大小，那么k = k0-1 = 5-1 = 4，意味着该ROI应该使用P4的特征层。k值应该会做取整处理，防止结果不是整数。

然后，因为作者把conv5也作为了金字塔结构的一部分，那么从前全连接层的那个作用怎么办呢？这里采取的方法是增加两个1024维的轻量级全连接层，然后再跟上分类器和边框回归。作者认为这样还能使速度更快一些。

目标检测实验

这个篇幅过长，不好搬上博客，只能大家自己去看了。实验部分也没有什么特别难懂的地方，该说的前面基本都讲了一下。