FPN笔记

论文：Feature Pyramid Networks for Object Detection

Motivation

许多图像识别的检测算法都考虑到不同尺寸图片（multi-scale）对算法的影响。下图是几种利用不同尺寸特征的策略。

a. 图像金字塔，生成不同尺寸的图片，每张图片生成不同的特征，分别进行预测，最后统计所有尺寸的预测结果。这种方法最大的缺点是运算时间长，很难用于训练，在测试的时候可能会用一下。

b. 使用单一feature map进行预测，一般是网络最后一层feature map。Fast R-CNN、Faster R-CNN采用这种方法。顶层的feature map包含粗略的位置信息，导致预测的bbox不精确。而且高层的feature map会忽略小物体信息。

c. 使用金字塔特征结构，使用不同层次的金字塔层feature map进行预测。SSD就是采用这种多尺度特征融合方法，从网络不同层抽取不同尺寸的特征做预测，没有增加额外的计算量。但是SSD没有使用足够底层的特征，SSD使用最底层的特征是VGG的conv4_3。

d. 特征金字塔网络。作者使用这种方法，对顶层特征进行向上采样，并与底层特征进行融合，得到高分辨率，强语义的特征。

作者这篇论文的目标是自然地利用ConvNet特征层次结构的金字塔形状，同时创建一个在所有尺度上都具有强大语义的特征金字塔。作者提出了一个网络架构，把低分辨率、强语义特征（高层特征）和高分辨率、低语义特征（底层特征）通过一个自顶向下的路径和横向连接结合起来。如下图所示

上半部分在特征金字塔的最底层进行预测，下半部分在特征金字塔的所有层单独预测，论文主要使用后者。

Feature Pyramid Networks

特征金字塔使用的网络骨架backbone是ResNet。特征金字塔网络包括自底向上、自顶向下和横向连接。特征金字塔的横向连接和自顶向下的连接示意图如下

Bottom-up pathway

自底向上结构就是网络的前向传播的过程。在backbone网络中，有许多网络层的输出大小都是一样，这些网络层就在同一阶段，每个特征金字塔层就对应一个阶段。每个阶段的最后一个feature map关联到对应的特征金字塔层，因为每个阶段的最后一个feature map有语义最强的特征。

对ResNet具体地说，ResNet有5个阶段，把conv2，conv3，conv4，conv5对应为特征金字塔的$\{C_2,C_3,C_4,C_5\}$层。不考虑conv1的原因是conv1需要太大的内存。对于每个特征金字塔层，对应于输入图片的步长分别是$\{4,8,16,32\}$像素。

Top-down pathway and lateral connections

自顶向下结构通过对特征金字塔高层向上采样生成更高分辨率特征。每个横向连接合并自顶向下结构和自底向上结构相同大小的feature map。上图虚线框表示一个横向连接，首先对上一层的特征金字塔层向上采样，扩大两倍。对应的自底向上的feature map进行1×1卷积，然后两者逐元素相加。之后，为了减低向上采样的混淆效应，对得到的feature map进行3×3卷积。最顶层的特征金字塔通过对$C_5$进行1×1卷积得到。得到的特征金字塔层为$\{P_2,P_3,P_4,P_5\}$，分别对应$\{C_2,C_3,C_4,C_5\}$。

因为传统的图像金字塔的所有金字塔层使用共享的分类器或回归器，所以作者设置所有特征金字塔层的feature map的通道数为d，所以横向连接的1*1卷积是为了把feature map的通道数转成d。在论文中作者设置$d=256$。特征金字塔的feature map都没有使用激活函数，因为添加激活函数的效果没有太大的作用。

Application

作者把特征金字塔应用到RPN网络和Fast R-CNN网络中。

Feature Pyramid Networks for RPN

RPN是在Faster R-CNN中提出的，RPN主要是在feature map中提取出region proposal。RPN在卷积网络中的最后一个单一尺寸的feature map上有3*3的滑动窗体，滑动窗体后面接着一个分类器和回归器，用来预测是region proposal的anchor box。anchor box有不同预定义的尺寸和不同长宽比，可以覆盖不同形状的物体。

应用了特征金字塔的RPN网络不再是在最后一个单一尺寸的feature map上搜索region proposal，而是在特征金字塔的每个特征层上搜索region proposal。而每个特征金字塔层都代表一个尺度，所以在当个尺度上的anchor box只有一个特征尺度。文中定义anchor box在$\{P_2,P_3,P_4,P_5,P_6\}$的面积分别为$32^2,64^2,128^2,256^2,512^2$。其中$P_6$层是为了对应$512^2$而增加的特征层，通过对$P_5$层进行二次采样得到。对于每个层的anchor box，有3中不同的长宽比$\{1:2,1:1,2:1\}$，这样，整个使用特征金字塔的RPN有15中不同的anchor box。下图来自这篇博客，可以很好地说明使用特征金字塔的RPN结构

关于RPN的其他内容和Faster R-CNN中描述一样。

Feature Pyramid Networks for Fast R-CNN

Fast R-CNN主要内容是使用RoI pooling从feature map中池化region proposal的区域成固定大小的特征向量，然后传到分类器和回归器中获得物体的类别和在原图的精确的bounding box。在Fast R-CNN中应用特征金字塔，类似于RPN，就是从特征金字塔的feature map中获取region proposal的区域特征。

这里的问题是RoI区域的特征从哪个feature map中获取。作者是这样选择的，设RoI在原图的宽和高是w和h，它从金字塔的$P_k$层选取特征，k与w和h的关系为
$$k=\lfloor k_0+lo{g}_2(\sqrt{wh}/224)\rfloor$$
这里224是预训练时输入图片的大小，$k_0$是目标层，作者设定$k_0=4$，即默认是从$P_4$中提取特征。上述公式的意义是，当RoI的大小变小时，那么就应该从更大分辨率的特征层提取特征。比如面积变为224的1/2，那么$k=3$。