论文学习13“Feature Pyramid Networks for Object Detection”

本文是Facebook AI实验室17年物体检测的新作，CVPR17年的文章，本文打破了何凯明他们自己之前Faster RCNN等系列作品的记录，本文的突出贡献是特征化金字塔网络。

特征金字塔很久之前已经出现，但是由于网络耗时太久所以一直未被应用。下图是4种特征利用方式。（a）图像金字塔，即将图像转化成成不同的尺寸，然后不同尺寸的图像生成对应的特征。这种方法就是传统的图像金字塔网络，他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）SPP net，Fast RCNN，Faster RCNN是采用这种方式，即将网络进行卷积仅采用网络最后一层的特征。（c）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，而足够低层的特征对于检测小物体是很有帮助的。

（d）是本文作者采用的方式，顶层特征通过上采样和低层特征做融合，而且每层都做独立预测。

在16年的ECCV里有一种类似于上图d的结构，运用了特征金字塔和反卷积结构，其结构如下图上部分，可以看出来与本文的区别的本文采取了独立预测，每一层都独立预测出结果。这也是本文的创新点。

本文模型的基本架构是Res-nets，结构可以分成两部分，自上而下和自下而上。

自下而上是指的正向的卷积网络，2倍步长。自上而下指上采样过程，2倍步长上采样。最后用横向连接将自下而上和自上而下的网络连接起来，如下图所示，采用卷积网络每一阶段最后一层网络，在Res-nets中就是每个阶段最后的残差块，C2、C3、C4、C5，但是不含conv1，因为占用内存大，经过一个1*1的卷积层与自上而下的反卷积网络结合，然后经过一个3*3的卷积输出每一层的预测结果。

本文所采用的结构比较简单，作者也尝试了复杂的结构，效果有提升，但这不是文章的重点。

应用。

本文所提出来的特征金字塔网络是一个通用的架构，所以应用也很广泛，比如说用于RPN。本文将FPN结合RPN生成建议框，原始的RPN，比如fast rcnn里的是单尺度的特征图生成anchor，而现在内嵌FPN，就可以将不同尺度的特征图生成对应的1:2、1:1、2:1大小的anchor，所以针对P2，P3，P4，P5，P6一共5个不同像素值的特征图可以生成15个anchor。

另外一个应用是用于fast rcnn，这里针对的是ROI池化层。Fast rcnn网络本身ROI Pooling层的输入是固定大小的特征，而这里将使用不同特征层作为ROI pooling层的输入，大尺度ROI就用较深的金字塔层，小尺度就用较浅的特征金字塔输入，而怎么定义是用深层金字塔特征还是浅层特征，作者定义了一个函数，用于判别。

上式中，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。

实验。

区域建议与RPN实验。本实验在8个GPU同步的SGD进行，IOU值大于0.7为正样本，小于0.3为负样本。下表为实验结果，为了进行对比，采用FPN的RPN与未采用的网络采取相同的超参数。可以看出单独使用conv4并没有提升，但内嵌FPN的网络提升了8个百分点。为了验证自下而上和自上而下结构的作用，作者进行了没有自上而下结构的实验，结果如（d）。针对横向连接，（e）是没有进行横向连接的消融结果。为了验证金字塔特征结构的重要性，作者只采用P2层进行实验，结果如（f）所示。

Fast rcnn检测实验。在coco数据集上进行，实验结果如下表所示，对应实验与RPN实验一致。

下表是Faster R-CNN上实验的结果。

对于coco数据集比赛各获奖团队模型进行比较，如下表所示。

本文提出了一个简单而有效的FPN框架，可以嵌入到已有的模型中，其亮点在于每一层都进行融合，预测。FPN框架后也被应用到目标检测，何凯明所提出的Mask RCNN网络就是在Fater RCNN上增加了FPN，效果显著。但FPN和Mask RCNN的代码都未公开。