FPN在计算机视觉中的应用：特征金字塔网络详解

 

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FPN：feature pyramid networks for object detection

对用卷积神经网络进行目标检测方法的一种改进，通过提取多尺度的特征信息进行融合，进而提高目标检测的精度，特别是在小物体检测上的精度。FPN是ResNet或DenseNet等通用特征提取网络的附加组件，可以和经典网络组合提升原网络效果。

一、问题背景

网络的深度（对应到感受野）与总stride通常是一对矛盾的东西，常用的网络结构对应的总stride一般会比较大（如32），而图像中的小物体甚至会小于stride的大小，造成的结果就是小物体的检测性能急剧下降。

传统解决这个问题的思路包括：

（1）多尺度训练和测试，又称图像金字塔，如下图(a)所示。目前几乎所有在ImageNet和COCO检测任务上取得好成绩的方法都使用了图像金字塔方法。然而这样的方法由于很高的时间及计算量消耗，难以在实际中应用。

（2）特征分层，即每层分别预测对应的scale分辨率的检测结果。如下图(c)所示。SSD检测框架采用了类似的思想。这样的方法问题在于直接强行让不同层学习同样的语义信息。而对于卷积神经网络而言，不同深度对应着不同层次的语义特征，浅层网络分辨率高，学的更多是细节特征，深层网络分辨率低，学的更多是语义特征。

因而，目前多尺度的物体检测主要面临的挑战为：

1. 如何学习具有强语义信息的多尺度特征表示？

2. 如何设计通用的特征表示来解决物体检测中的多个子问题？如object proposal, box localization, instance segmentation.

3. 如何高效计算多尺度的特征表示？

二、特征金字塔网络（Feature Pyramid Networks）

作者提出了FPN算法。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。

作者的算法结构可以分为三个部分：自下而上的卷积神经网络（上图左），自上而下过程（上图右）和特征与特征之间的侧边连接。

自下而上的部分其实就是卷积神经网络的前向过程。在前向过程中，特征图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，作者将不改变特征图大小的层归为一个阶段，因此每次抽取的特征都是每个阶段的最后一个层的输出，这样就能构成特征金字塔。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。

自上而下的过程采用上采样进行。上采样几乎都是采用内插值方法，即在原有图像像素的基础上在像素点之间采用合适的插值算法插入新的元素，从而扩大原图像的大小。通过对特征图进行上采样，使得上采样后的特征图具有和下一层的特征图相同的大小。

根本上来说，侧边之间的横向连接是将上采样的结果和自下而上生成的特征图进行融合。我们将卷积神经网络中生成的对应层的特征图进行1×1的卷积操作，将之与经过上采样的特征图融合，得到一个新的特征图，这个特征图融合了不同层的特征，具有更丰富的信息。 这里1×1的卷积操作目的是改变channels，要求和后一层的channels相同。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，如此就得到了一个新的特征图。这样一层一层地迭代下去，就可以得到多个新的特征图。假设生成的特征图结果是P2，P3，P4，P5，它们和原来自底向上的卷积结果C2，C3，C4，C5一一对应。金字塔结构中所有层级共享分类层（回归层）。

三、fast rcnn中的特征金字塔

四、其他问题

Q1：不同深度的feature map为什么可以经过upsample后直接相加？

答：作者解释说这个原因在于我们做了end-to-end的training，因为不同层的参数不是固定的，不同层同时给监督做end-to-end training，所以相加训练出来的东西能够更有效地融合浅层和深层的信息。

 

Q2：为什么FPN相比去掉深层特征upsample(bottom-up pyramid)对于小物体检测提升明显？（RPN步骤AR从30.5到44.9，Fast RCNN步骤AP从24.9到33.9）

答：作者在poster里给出了这个问题的答案

对于小物体，一方面我们需要高分辨率的feature map更多关注小区域信息，另一方面，如图中的挎包一样，需要更全局的信息更准确判断挎包的存在及位置。

 

Q3：如果不考虑时间情况下，image pyramid是否可能会比feature pyramid的性能更高？

答：作者觉得经过精细调整训练是可能的，但是image pyramid（金字塔）主要的问题在于时间和空间占用太大，而feature pyramid可以在几乎不增加额外计算量情况下解决多尺度检测问题。

五、代码层面看FPN

3、 FPN自上而下的网络结构代码怎么实现？

注意 P6是用在 RPN 目标区域提取网络里面的，而不是用在 FPN 网络；

另外这里 P2-P5最后又做了一次3*3的卷积，作用是消除上采样带来的混叠效应。

4、 如何确定某个 ROI 使用哪一层特征图进行 ROIpooling ?

看代码：

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，image_area是输入图片的长乘以宽，即输入图片的面积，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值会做取整处理，防止结果不是整数。

5、 上面得到的5个融合了不同层级的特征图怎么使用？

可以看到，这里只使用2-5四个特征图:

对每个 box，都提取其中每一层特征图上该box对应的特征，然后组成一个大的特征列表pooled。

6、 金字塔结构中所有层级共享分类层是怎么回事？

先看代码：

这里的PyramidROIAlign得到的 x就是上面一步得到的从每个层的特征图上提取出来的特征列表，这里对这个特征列表先接两个1024通道数的卷积层，再分别送入分类层和回归层得到最终的结果。

也就是说，每个 ROI 都在P2-P5中的某一层得到了一个特征，然后送入同一个分类和回归网络得到最终结果。

FPN中每一层的heads 参数都是共享的，作者认为共享参数的效果也不错就说明FPN中所有层的语义都相似。

7、 它的思想是什么？

把高层的特征传下来，补充低层的语义，这样就可以获得高分辨率、强语义的特征，有利于小目标的检测。

8、 横向连接起什么作用？

如果不进行特征的融合（也就是说去掉所有的1x1侧连接），虽然理论上分辨率没变，语义也增强了，但是AR下降了10%左右！作者认为这些特征上下采样太多次了，导致它们不适于定位。Bottom-up的特征包含了更精确的位置信息。

 

 

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