FPN网络结构+源码讲解

YOLOF前传：特征金字塔（FPN）

前言

这几天在读CVPR2021的中稿论文YOLOF（You Only Look One-level Feature），文章回顾了单阶段的特征金字塔网络(FPN)，指出FPN的成功的原因在于它对目标检测中优化问题的分而治之的解决策略，而不是多尺度特征融合。之前虽然经常看到特征金字塔相关结构，却也没有深入研究过，今天借着YOLOF把FPN的网络结构特征简要总结一下。

01

特征金字塔是多尺度（muiti-scale） 目标检测领域中的重要组成部分，但是由于此方法对计算和内存的需求，在FPN之前的深度学习任务都刻意回避了这类模型。在这篇文章中，作者利用深度神经网络固有的多尺度、多层级的金字塔结构，使用一种 自上而下的侧边连接 在所有尺度上构建出高级语义特征图，构造了特征金字塔的经典结构。

具体做法其实并不难理解：

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自上而下进行融合，使得所有尺度下的特征都有丰富的语义信息。

02

当然，FPN并非只有上图所示的一种结构，下面大体介绍一下特征金字塔网络：

Featurized image pyramid

一种比较笨的多尺度方法，对输入图像设置不同的缩放比例实现多尺度。这样可以解决多尺度，但是相当于训练了多个模型（假设要求输入大小固定），即便允许输入大小不固定，但是也增加了存储不同尺度图像的内存空间。

Single feature map

其实就是早期的CNN模型，通过卷积层不断学习图像的高级语义特征。

Pyramidal feature hierarchy

SSD较早尝试了使用CNN金字塔形的层级特征，重用了前向过程计算出的多尺度特征图，因此这种形式是不消耗额外的资源的。但是SSD为了避免使用low-level的特征，放弃了浅层的特征图信息，直接从conv4_3开始建立金字塔，并且加入了一些新的层，但是这些低层级、高分辨率的特征图信息对检测小目标是非常重要的。

Feature Pyramid Network

FPN为了能够自然地利用CNN层级特征的金字塔形式，同时生成在所有尺度上都具有强语义信息的特征金字塔，便以此为目的设计了top-down结构和lateral connection。这种金字塔结构以此融合具有高分辨率的浅层feature和具有丰富语义信息的深层feature。这样就实现了从单尺度的单张输入图像，快速构建在所有尺度上都具有强语义信息的特征金字塔，同时不产生明显的代价。

03

那么，如何做到top-down和

lateral connection呢？

top-down

def _upsample_add(self, x, y):
    _,_,H,W = y.size()
    return F.upsample(x, size=(H,W), mode='bilinear') + y

也就是说，这里的实现使用的是最简单的上采样，没有使用线性插值，没有使用反卷积，而是直接复制。

lateral connection

# init Lateral layers，其实就是做通道匹配任务
self.latlayer1 = nn.Conv2d(1024, 256, kernel_size=1, stride=1, padding=0)
self.latlayer2 = nn.Conv2d( 512, 256, kernel_size=1, stride=1, padding=0)
self.latlayer3 = nn.Conv2d( 256, 256, kernel_size=1, stride=1, padding=0)

# forward
p4 = self._upsample_add(p5, self.latlayer1(c4))
p3 = self._upsample_add(p4, self.latlayer2(c3))
p2 = self._upsample_add(p3, self.latlayer3(c2))

结合上图我们可以理解这篇文章的核心思路：

通过2xup-sample，我们得到了上层传递下来的高层语义特征，其尺寸大小与lateral connection过程中的低层特征图尺寸相同；

通过1x1 conv，将高层特征通道数与低层特征通道数统一，解决了融合（sum）过程中channel数不匹配的问题。

04

FPN自上而下的网络结构代码怎么实现？

'''FPN in PyTorch.

See the paper "Feature Pyramid Networks for Object Detection" for more details.
'''
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

from torch.autograd import Variable


class Bottleneck(nn.Module):
    expansion = 4

    def __init__(self, in_planes, planes, stride=1):
        super(Bottleneck, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(in_planes, planes, kernel_size=1, bias=False)
        self.bn1 = nn.BatchNorm2d(planes)
        self.conv2 = nn.Conv2d(planes, planes, kernel_size=3, stride=stride, padding=1, bias=False)
        self.bn2 = nn.BatchNorm2d(planes)
        self.conv3 = nn.Conv2d(planes, self.expansion*planes, kernel_size=1, bias=False)
        self.bn3 = nn.BatchNorm2d(self.expansion*planes)

        self.shortcut = nn.Sequential()
        if stride != 1 or in_planes != self.expansion*planes:
            self.shortcut = nn.Sequential(
                nn.Conv2d(in_planes, self.expansion*planes, kernel_size=1, stride=stride, bias=False),
                nn.BatchNorm2d(self.expansion*planes)
            )

    def forward(self, x):
        out = F.relu(self.bn1(self.conv1(x)))
        out = F.relu(self.bn2(self.conv2(out)))
        out = self.bn3(self.conv3(out))
        out += self.shortcut(x)
        out = F.relu(out)
        return out


class FPN(nn.Module):
    def __init__(self, block, num_blocks):
        super(FPN, self).__init__()
        self.in_planes = 64

        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=7, stride=2, padding=3, bias=False)
        self.bn1 = nn.BatchNorm2d(64)

        # Bottom-up layers
        self.layer1 = self._make_layer(block,  64, num_blocks[0], stride=1)
        self.layer2 = self._make_layer(block, 128, num_blocks[1], stride=2)
        self.layer3 = self._make_layer(block, 256, num_blocks[2], stride=2)
        self.layer4 = self._make_layer(block, 512, num_blocks[3], stride=2)

        # Top layer
        self.toplayer = nn.Conv2d(2048, 256, kernel_size=1, stride=1, padding=0)  # Reduce channels

        # Smooth layers
        self.smooth1 = nn.Conv2d(256, 256, kernel_size=3, stride=1, padding=1)
        self.smooth2 = nn.Conv2d(256, 256, kernel_size=3, stride=1, padding=1)
        self.smooth3 = nn.Conv2d(256, 256, kernel_size=3, stride=1, padding=1)

        # Lateral layers
        self.latlayer1 = nn.Conv2d(1024, 256, kernel_size=1, stride=1, padding=0)
        self.latlayer2 = nn.Conv2d( 512, 256, kernel_size=1, stride=1, padding=0)
        self.latlayer3 = nn.Conv2d( 256, 256, kernel_size=1, stride=1, padding=0)

    def _make_layer(self, block, planes, num_blocks, stride):
        strides = [stride] + [1]*(num_blocks-1)
        layers = []
        for stride in strides:
            layers.append(block(self.in_planes, planes, stride))
            self.in_planes = planes * block.expansion
        return nn.Sequential(*layers)

    def _upsample_add(self, x, y):
        '''Upsample and add two feature maps.

        Args:
          x: (Variable) top feature map to be upsampled.
          y: (Variable) lateral feature map.

        Returns:
          (Variable) added feature map.

        Note in PyTorch, when input size is odd, the upsampled feature map
        with `F.upsample(..., scale_factor=2, mode='nearest')`
        maybe not equal to the lateral feature map size.

        e.g.
        original input size: [N,_,15,15] ->
        conv2d feature map size: [N,_,8,8] ->
        upsampled feature map size: [N,_,16,16]

        So we choose bilinear upsample which supports arbitrary output sizes.
        '''
        _,_,H,W = y.size()
        return F.upsample(x, size=(H,W), mode='bilinear') + y

    def forward(self, x):
        # Bottom-up
        c1 = F.relu(self.bn1(self.conv1(x)))
        c1 = F.max_pool2d(c1, kernel_size=3, stride=2, padding=1)
        c2 = self.layer1(c1)
        c3 = self.layer2(c2)
        c4 = self.layer3(c3)
        c5 = self.layer4(c4)
        # Top-down
        p5 = self.toplayer(c5)
        p4 = self._upsample_add(p5, self.latlayer1(c4))
        p3 = self._upsample_add(p4, self.latlayer2(c3))
        p2 = self._upsample_add(p3, self.latlayer3(c2))
        # Smooth
        p4 = self.smooth1(p4)
        p3 = self.smooth2(p3)
        p2 = self.smooth3(p2)
        return p2, p3, p4, p5

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总之，FPN最主要的意图就是把高层的特征传下来，补充低层的语义，这样就可以在具有高分辨率的底层网络中获得强语义的高层特征，有利于小目标的检测。