潮科技行业入门指南 | 深度学习理论与实战：提高篇（10）——目标检测算法FPN
编者按：本文节选自《深度学习理论与实战：提高篇 》一书，原文链接http://fancyerii.github.io/2019/03/14/dl-book/ 。作者李理，环信人工智能研发中心vp，有十多年自然语言处理和人工智能研发经验，主持研发过多款智能硬件的问答和对话系统，负责环信中文语义分析开放平台和环信智能机器人的设计与研发。
以下为正文。
本文介绍目标检测的常见算法之一：FPN。
Feature Pyramid Networks(FPN)
FPN简介
检测不同尺度的目标（尤其是小目标）是很困难的。如下图左所示，我们可以使用同一图像的不同尺度版本来检测目标。但是处理多尺度图像很费时，内存需求过高，难以同时进行End-to-end的训练。因此，我们可能只在推理阶段使用这种方法，以尽可能提高精确度，尤其是竞赛这种不考虑时间的情况，但是在实际环境中我们很难使用它。此外我们也可以创建特征金字塔来检测目标，如下图右所示。但是低层的特征映射在精确目标预测上效果不佳。
注意左右两图的区别：左图是一张图片的4个尺度，然后分别用卷积网络来提取特征并且进行预测，这样每次预测的时候都要用4倍的时间，而且模型的参数也会增加很多。而右图是一张图片，只有一个卷积网络来逐层的提取层次化的特征，然后对4个特征映射进行预测，它可以避免4次的特征提取。但是它的问题在于底层的特征(比如边角等)很难用于判断它是猫还是狗，而只有高层的特征(比如鼻子、眼睛等)才容易判断目标物体。而高层的特征虽然有较强的语义(容易判断目标)，但是它丢失了一些更精细的位置等信息，在定位物体时也会有问题。
FPN是基于金字塔概念设计的特征提取器，设计时考虑到了精确性和速度。它代替了Faster R-CNN的检测模型的特征提取器，生成多层特征映射（多尺度特征映射），它的质量比普通的特征金字塔好。因此在左图中图像金字塔提取的特征都是有较强语义的(图中用边框较粗的平行四边形表示)；而特征金字塔高层的特征语义较强，但是底层的特征语义较弱，用来预测效果不佳。
左：图像金字塔；右：特征金字塔
数据流
FPN的结构如下图所示，和图像金字塔类似，它的每一层都有较强的语义，同时它的速度也很快。
FPN
FPN由自底向上(bottom-up)和自顶向下（top-down）两个路径(pathway)组成。自底向上的路径是通常的提取特征的卷积网络，如下图所示。自底向上，空间分辨率变小，但能检测更多高层结构，网络层的语义在增强。
FPN的自底向上路径
SSD(Single Shot MultiBox Detector)也会基于多个特征映射进行检测。但是低层并不用于目标检测，原因是这些层的分辨率虽然很高，但语义不够强，因此，为了避免显著的速度下降，目标检测时不使用这些层。因为SSD检测时仅使用高层，所以在小目标上的表现要差很多。它的结构如下图所示。
SSD结构
而FPN提供了自顶向下的路径，基于语义较丰富的层从上向下来构建分辨率较高的层。如下图所示。
FPN自顶向下的路径(不含skip connection)
虽然重建的层语义足够强，但经过这些下采样和上采样之后，目标的位置不再准确了。因此FPN在重建层和相应的特征映射间增加了横向连接，以帮助检测器更好地预测位置。这些横向连接同时起到了跳跃连接（skip connection）的作用（类似残差网络的做法），如下图所示。
增加skip connection
接下来我们详细介绍FPN的自顶向下和自底向上路径。
自底向上路径
文章使用残差网络来构建自底向上的路径。这个网络由很多卷积层组成，我们把大小相同的分成一组，共计有五组，相邻组之间大小减半，从下往上我们把每一组最后一层记为C1-C5。如下图左边的虚线框所示。
增加skip connection
自顶向下路径
如上图右边的虚线框所示，FPN使用一个1x1的卷积过滤器将C5（最上面的卷积模块）的channel数降至256维，得到M5。接着应用一个3x3的卷积得到P5，P5正是用于目标预测的第一个特征映射。
沿着自顶向下的路径往下，FPN对之前的层应用最近邻上采样使得空间分辨率翻倍。同时，FPN对自底向上通路中的相应特征映射应用1x1卷积，并把它加到上采样的结果里(skip-connection)。最后同样用3x3卷积得到目标检测的特征映射，这有助于减轻了上采样的混叠效应。
我们重复上面的过程得到P3和P2，我们没有生成P1，因为它的尺寸太多，会严重影响速度。因为所有的P2-P5会共享目标检测的分类器和Bounding box回归模型，所以要求它们的channel数都是256。
FPN用于RPN
FPN自身并不是目标检测器，而只是一个配合目标检测器使用的特征提取器。我们可以使用FPN提取多层特征映射后将它传给RPN（基于卷积和anchor的目标检测器）检测目标。RPN在特征映射上应用3x3卷积，之后在为分类预测和bounding box回归分别应用1x1卷积。这些3x3和1x1卷积层称为RPN头（head）。其他特征映射应用同样的RPN头，如下图所示。
FPN用于RPN
下面我们来详细分析FPN怎么集成到我们之间介绍过的Faster R-CNN里。
FPN用于Faster R-CNN
我们首先来回顾一下Fast R-CNN，如下图所示，输入一张图片，我们首先使用卷积网络(通常叫作backbone)来提取特征，得到一组特征映射。然后使用Region Proposal选择出一些(图中是3个)可能的候选区域，然后根据候选区域的位置从特征映射中选择对应区域的特征。因为候选区域大小不一，所以使用RoI Pooling的技巧把它们都变成相同的大小，然后在接一些网络层来实现分类和Bounding box回归。
Fast R-CNN
如果是Faster R-CNN的话，结构和Fast R-CNN类似，只是把Region Proposal用一个RPN网络来代替，而且Bounding box回归也由它来完成，其余都是类似的。那现在怎么把FPN集成近Faster R-CNN呢？
如下图所示，我们首先用FPN提取特征，和之前不同，FPN产生的是多个(更准确的说应该是多组)特征映射，代表同一幅图的不同尺度。这些特征映射输入RPN网络来产生候选的区域，这都没有什么不同。有了候选区域，我们需要从特征映射里选择对应的区域，这就有所不同了。前面只有一组特征映射，所以所有的候选区域都是从这组特征映射的对应位置产生。而现在有了多个不同尺度的特征映射，就可以根据候选区域的大小选择合适的尺度了，基本的原则就是候选区域越大，我们就应该选择越高层的特征映射。具体的计算公式为：
FPN用于Faster R-CNN
实验结果
FPN搭配RPN，提升AR到56.3，相比RPN的baseline提高了8%。 在小目标上的更是提高12.9%。如下表所示。
实验结果
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