FPN(Feature Pyramid Network)多尺度目标检测方案

参考论文：Feature Pyramid Networks for Object Detection

会议水平：CVPR 2017

开源代码：https://github.com/unsky/FPN

1. 多尺度目标检测问题

CNN网络对于位置变化的适应性很强，但是对尺度变化的表现很差，所以检测问题基本都要考虑尺度怎么处理。那么首先来看一幅非常具有代表性的图，这张图涵盖了目前很多检测问题在处理物体scale上的思路：

(a)，在非深度的方法中非常常见，通过将图像缩放到不同大小，构成一系列的图像金字塔网络，这样一些类似于固定滑窗的方法就可以检测到大小不同的物体了。这个在深度检测中也不是没有应用，比如MTCNN，但是用得都不会很深，而且使用也不广泛，主要就是内存和时间上的巨大开销问题，因为CNN提取特征非常耗时。

(b)(c)，思路更加常见，Faster RCNN其实就是(b)图的思路，用CNN网络的top层来进行预测，因为top层的语义化程度是最高的；但是CNN的卷积操作考察的是局部像素之间的关联性、池化操作则对局部信息进行统计，因此CNN网络越top，feature map中的每个单元格的感受野就越大，相对的，就没有浅层那样精细，分辨率就会下降得比较厉害；这个问题在小目标上非常突出。（Comment： 卷积层越高，感受野越大，定位信息越不丰富，分辨率越差，但是语义信息越强）。也有研究人员尝试了类似图(c)的思路，比如SSD，在top层这种单元格感受野大的层上预测scales比较大的物体，而在浅层这种感受野小、分辨率比较高的层上预测scales比较小的物体。但是这样会导致的一个问题就是，浅层虽然分辨率提高了，语义化程度还是不够高，去预测小目标效果还是不好。

FPN就提出了一种解决思路，在top层得到了语义化程度比较高的特征后，再不断升采样，然后和CNN网络中那些浅层特征融合，融合后的特征既有较高的语义性，也有较高的分辨率，这样再去分别预测不同scales的物体就会有比较好的效果了。另外，在实际使用的时候，作者的特征是across scales的，换句话说，在预测某个scale目标的时候，其它scales的特征也会起到一定的作用，这个就是FPN的整体思路。

2. 作者的解决方案

作者采用的网络框架图如图所示：

可以看到网络整体上有三条线路，一个是左面的CNN网络，作者称之为Bottom-up pathway；另一条则是将CNN得到的高语义化不断升采样，作者称之为top-down pathway；最后是将它们融合起来的侧边通道，作者称之为lateral connections：

• bottom-up路线：作者使用了ResNet作为基础网络；这里面还有一个细节就是每个scales在哪个层上建立的问题。作者将大小相同的层都认为是一个stage的，而作者选用了一个stage里面最后的那一层来建立anchor。作者选取了四个尺度，分别建立在ResNet的conv2,conv3,conv4和conv5的output上，构成了C2,C3,C4,C5四个尺度的特征。而对应的融合后的特征是P2,P3,P4,P5
• top-donw路线与lateral connection：later connection是一个1x1 conv层，可以用来减少通道数（降维度）、并进行跨通道的信息融合；而top-down则是依次进行了x2的upsample（最临近插值）；C5到P5则是直接用1x1的卷积层连接起来；另外，在叠加后，还会使用一个3x3的卷积核来消除混叠效应。这样子，就很好的将高卷积层的强语义特征与低卷积层的强分辨率结合起来，提高了目标检测的准确度。

3. 在Faster RCNN当中的使用

作者改变了Faster RCNN，将FPN的思路糅合了进去

• RPN：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。特别要指出的是，作者额外添加了一个P6层（由P5层进行stride 2的subsample得到），用来预测512大小的物体；ratios还是和原版一样
• RoI pooling与RCNN：原版的RoI pooling统一到同一个大小的feature map，但是这对FPN并不合适，因为FPN在RPN阶段抽取的候选框本来就含有不同的尺度，作者的方法是将不同尺度的候选框map into到不同大小的特征图，具体的公式这里就不贴了，可以参考论文；另外作者关于RoI pooling之后的网络结构也有一定不同，作者添加了两个1024的fc层在最终的分类与回归层前，作者认为这更加轻便
• 权值共享问题：每个特征层进行预测的结构是和原版Head一样的，不过比较特殊的是，作者这里采用了权值共享的策略，我的理解是在预测某个尺度的时候，其它尺度的特征也会参与预测，而不是各个尺度完全独立的预测

4. 网络框架图

5. 效果总结

5.1 加入FPN的RPN网络的有效性

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。

（a）（b）（c）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。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，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。

5.2 将FPN用于Fast R-CNN的检测

（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。

6. 总结

作者的这篇论文主要研究的问题是：如何融合高卷积层的强语义特征，以及低卷积层的强定位/分辨特征，总结如下：

1. 卷积操作是具有感知域的，而池化作用是在统计局部信息。也就是说，随着卷积-池化操作的进行，特征图像具有越来越强的语义表达能力，这主要在于感知域的大大提升。然而，由于感知域的扩大，也带来的目标定位/分辨能力差，尤其是对于小目标。

2. 作者提出的横向连接，主要就是为了融合高卷积层的强语义信息与低卷积层的强分辨信息，基于这样的特征金字塔方法确实提高了目标检测子的性能，尤其是小目标的解决能力。

3. 针对融合后的hierarchy output和final output，个人认为还是值得去继续探索的，尤其是hierarchy output，这是涉及到不同尺度特征决策后的融合问题，也就是如何为他们分配权重，这值得考虑。