可变形卷积 DeformConv2d

可变性卷积

  • 前言
  • 为什么要用DConv
  • 普通卷积和与可变形卷积计算过程
    • 普通卷积计算过程
    • Pytorch官方API
    • 可变形卷积计算过程
  • 参考资源

前言

可变形卷积即DCN(缩写取自Deformable ConvNets)提出于ICCV 2017的paper:
Deformable Convolutional Networks
论文paper地址:https://openaccess.thecvf.com/content_ICCV_2017/papers/Dai_Deformable_Convolutional_Networks_ICCV_2017_paper.pdf

codebase地址:(很多框架中都已实现,这里选择以pytorch的为例)https://github.com/4uiiurz1/pytorch-deform-conv-v2/blob/master/deform_conv_v2.py


可变形卷积 DeformConv2d_第1张图片
3×3标准和可变形卷积的采样位置图示。(a) 标准卷积的规则采样网格(绿点)。(b) 可变形卷积中带有增强偏移量(浅蓝色箭头)的变形采样位置(深蓝色点)。(c)(d)是(b)的特例,表明可变形卷积概括了尺度、(各向异性)长宽比和旋转的各种变换。


为什么要用DConv

卷积单元(卷积核)对输入的特征图在固定的位置进行采样;池化层不断减小着特征图的尺寸;RoI池化层产生空间位置受限的RoI。然而,这样做会产生一些问题,比如,卷积核权重的固定导致同一CNN在处理一张图的不同位置区域的时候感受野尺寸都相同,这对于编码位置信息的深层卷积神经网络是不合理的。因为不同的位置可能对应有不同尺度或者不同形变的物体,这些层需要能够自动调整尺度或者感受野的方法。再比如,目标检测的效果很大程度上依赖于基于特征提取的边界框,这并不是最优的方法,尤其是对于非网格状的物体而言。


普通卷积和与可变形卷积计算过程

普通卷积计算过程

可变形卷积 DeformConv2d_第2张图片

可变形卷积 DeformConv2d_第3张图片
这里dilation:controls the spacing between the kernel points;
stride相似,实际含义为:每个点之间有空隙的过滤器,即为dilation。例如,在一个维度上,一个大小为 3 3 3的过滤器 w w w会对输入的x进行如下计算: w [ 0 ] ∗ x [ 0 ] + w [ 1 ] ∗ x [ 1 ] + w [ 2 ] ∗ x [ 2 ] w[0] * x[0] + w[1] * x[1] + w[2] * x[2] w[0]x[0]+w[1]x[1]+w[2]x[2] 。若 d i l a t i o n = 1 dilation = 1 dilation=1,过滤器会计算: w [ 0 ] ∗ x [ 0 ] + w [ 1 ] ∗ x [ 2 ] + w [ 2 ] ∗ x [ 4 ] w[0] * x[0] + w[1] * x[2] + w[2] * x[4] w[0]x[0]+w[1]x[2]+w[2]x[4];换句话说,在不同点之间有一个1的差距。(Pytoch中 d i l a t i o n dilation dilation默认等于 1 1 1,但是实际为不膨胀,也就是说设置 d i l a t i o n = 2 dilation = 2 dilation=2时才会真正进行膨胀操作)
下面动画的 d i l a t i o n = 2 dilation = 2 dilation=2 的卷积操作
可变形卷积 DeformConv2d_第4张图片

Pytorch官方API

torch.nn.Conv2d(in_channels, 
                out_channels, 
                kernel_size, 
                stride=1, 
                padding=0, 
                dilation=1, 
                groups=1, 
                bias=True, 
                padding_mode='zeros')
  • in_channels参数代表输入特征矩阵的深度即channel,比如输入一张RGB彩色图像,那in_channels = 3;
  • out_channels参数代表卷积核的个数,使用n个卷积核输出的特征矩阵深度即channel就是n;
  • kernel_size参数代表卷积核的尺寸,输入可以是int类型如3 代表卷积核的height = width = 3,也可以是tuple类型如(3, 5)代表卷积核的height = 3,width = 5;
  • stride参数代表卷积核的步距默认为1,和kernel_size一样输入可以是int类型,也可以是tuple类型,这里注意,若为tuple类型即第一个int用于高度尺寸,第二个int用于宽度尺寸;
  • padding参数代表在输入特征矩阵四周补零的情况默认为0,同样输入可以为int型如1代表上下方向各补一行0元素,左右方向各补一列0像素(即补一圈0),如果输入为tuple型如(2, 1) 代表在上方补两行下方补两行,左边补一列,右边补一列。可见下图,padding[0]是在H高度方向两侧填充的,padding[1]是在W宽度方向两侧填充的;
    可变形卷积 DeformConv2d_第5张图片
    使用方法可见官方文档:https://pytorch.org/docs/stable/generated/torch.nn.Conv2d.html#

可变形卷积计算过程

可变形卷积 DeformConv2d_第6张图片
在这里插入图片描述
∇ P n \nabla P_n Pn是由普通卷积计算得到的,这里的 o u t _ c h a n n e l = 2 ∗ k e r n e l _ s i z e 2 out\_channel =2*kernel\_size^2 out_channel=2kernel_size2,变换生成kernel_size*kernel_size 大小的 ∇ R \nabla R R表。
可变形卷积 DeformConv2d_第7张图片
使用双向线性插值方法确定最后的位置,后计算value。
可变形卷积 DeformConv2d_第8张图片
可变形卷积 DeformConv2d_第9张图片
可变卷积形pytorch API 地址
https://pytorch.org/vision/main/generated/torchvision.ops.deform_conv2d.html#torchvision.ops.deform_conv2d

参考资源

1.https://blog.csdn.net/jiangqixing0728/article/details/126269423
2.https://www.bilibili.com/video/BV1Sh4y1y75i/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=17d3748d0773a2015a74ab52544dd499

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