一、FPN初探

1. 图像金字塔

FPN详解

图1 图像金字塔

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图2 高斯金字塔效果

如上图所示，这是一个图像金字塔，做CV的你肯定很熟悉，因为在很多的经典算法里面都有它的身影，比如SIFT、HOG等算法。我们常用的是高斯金字塔，所谓的高斯金字塔是通过高斯平滑和亚采样获得一些下采样图像，也就是说第K层高斯金字塔通过平滑、亚采样操作就可以获得K+1层高斯图像，高斯金字塔包含了一系列低通滤波器，其截止频率从上一层到下一层是以因子2逐渐增加，所以高斯金字塔可以跨越很大的频率范围。总之，我们输入一张图片，我们可以获得多张不同尺度的图像，我们将这些不同尺度的图像的4个顶点连接起来，就可以构造出一个类似真实金字塔的一个图像金字塔。通过这个操作，我们可以为2维图像增加一个尺度维度（或者说是深度），这样我们可以从中获得更多的有用信息。整个过程类似于人眼看一个目标由远及近的过程（近大远小原理）。如图2所示，我们可以看到一个图像金字塔，中间是原始图像，最上边是下采样后的图像，最下边是上采样后的图像。你可以将其对应到图1中的不同层中。

2. 为什么需要构造特征金字塔？

图3 特征金字塔

前面已经提到了高斯金字塔，由于它可以在一定程度上面提高算法的性能，因此很多经典的算法中都包含它。但是这些都是在传统的算法中使用，当然也可以将这种方法直应用在深度神经网络上面，但是由于它需要大量的运算和大量的内存。但是我们的特征金字塔可以在速度和准确率之间进行权衡，可以通过它获得更加鲁棒的语义信息，这是其中的一个原因。

如上图所示，我们可以看到我们的图像中存在不同尺寸的目标，而不同的目标具有不同的特征，利用浅层的特征就可以将简单的目标的区分开来；利用深层的特征可以将复杂的目标区分开来；这样我们就需要这样的一个特征金字塔来完成这件事。图中我们在第1层（请看绿色标注）输出较大目标的实例分割结果，在第2层输出次大目标的实例检测结果，在第3层输出较小目标的实例分割结果。检测也是一样，我们会在第1层输出简单的目标，第2层输出较复杂的目标，第3层输出复杂的目标。

3. 为什么要提出FPN算法？

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图4 不同方案的金字塔

识别不同大小的物体是计算机视觉中的一个基本挑战，我们常用的解决方案是构造多尺度金字塔。如上图a所示，这是一个特征图像金字塔，整个过程是先对原始图像构造图像金字塔，然后在图像金字塔的每一层提出不同的特征，然后进行相应的预测（BB的位置）。这种方法的缺点是计算量大，需要大量的内存；优点是可以获得较好的检测精度。它通常会成为整个算法的性能瓶颈，由于这些原因，当前很少使用这种算法。如上图b所示，这是一种改进的思路，学者们发现我们可以利用卷积网络本身的特性，即对原始图像进行卷积和池化操作，通过这种操作我们可以获得不同尺寸的feature map，这样其实就类似于在图像的特征空间中构造金字塔。实验表明，浅层的网络更关注于细节信息，高层的网络更关注于语义信息，而高层的语义信息能够帮助我们准确的检测出目标，因此我们可以利用最后一个卷积层上的feature map来进行预测。这种方法存在于大多数深度网络中，比如VGG、ResNet、Inception，它们都是利用深度网络的最后一层特征来进行分类。这种方法的优点是速度快、需要内存少。它的缺点是我们仅仅关注深层网络中最后一层的特征，却忽略了其它层的特征，但是细节信息可以在一定程度上提升检测的精度。因此有了图c所示的架构，它的设计思想就是同时利用低层特征和高层特征，分别在不同的层同时进行预测，这是因为我的一幅图像中可能具有多个不同大小的目标，区分不同的目标可能需要不同的特征，对于简单的目标我们仅仅需要浅层的特征就可以检测到它，对于复杂的目标我们就需要利用复杂的特征来检测它。整个过程就是首先在原始图像上面进行深度卷积，然后分别在不同的特征层上面进行预测。它的优点是在不同的层上面输出对应的目标，不需要经过所有的层才输出对应的目标（即对于有些目标来说，不需要进行多余的前向操作），这样可以在一定程度上对网络进行加速操作，同时可以提高算法的检测性能。它的缺点是获得的特征不鲁棒，都是一些弱特征（因为很多的特征都是从较浅的层获得的）。讲了这么多终于轮到我们的FPN啦，它的架构如图d所示，整个过程如下所示，首先我们在输入的图像上进行深度卷积，然后对Layer2上面的特征进行降维操作（即添加一层1×1的卷积层），对Layer4上面的特征就行上采样操作，使得它们具有相应的尺寸，然后对处理后的Layer2和处理后的Layer4执行加法操作（对应元素相加），将获得的结果输入到Layer5中去。其背后的思路是为了获得一个强语义信息，这样可以提高检测性能。认真的你可能观察到了，这次我们使用了更深的层来构造特征金字塔，这样做是为了使用更加鲁棒的信息；除此之外，我们将处理过的低层特征和处理过的高层特征进行累加，这样做的目的是因为低层特征可以提供更加准确的位置信息，而多次的降采样和上采样操作使得深层网络的定位信息存在误差，因此我们将其结合其起来使用，这样我们就构建了一个更深的特征金字塔，融合了多层特征信息，并在不同的特征进行输出。这就是上图的详细解释。（个人观点而已）

二、FPN框架解析

1. 利用FPN构建Faster R-CNN检测器步骤

首先，选择一张需要处理的图片，然后对该图片进行预处理操作；
然后，将处理过的图片送入预训练的特征网络中（如ResNet等），即构建所谓的bottom-up网络；
接着，如图5所示，构建对应的top-down网络（即对层4进行上采样操作，先用1×1的卷积对层2进行降维处理，然后将两者相加（对应元素相加），最后进行3×3的卷积操作，最后）；
接着，在图中的4、5、6层上面分别进行RPN操作，即一个3×3的卷积后面分两路，分别连接一个1×1的卷积用来进行分类和回归操作；
接着，将上一步获得的候选ROI分别输入到4、5、6层上面分别进行ROI Pool操作（固定为7×7的特征）；
最后，在上一步的基础上面连接两个1024层的全连接网络层，然后分两个支路，连接对应的分类层和回归层；

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图5 FPN整体架构

注：层1、2、3对应的支路就是bottom-up网络，就是所谓的预训练网络，文中使用了ResNet网络；由于整个流向是自底向上的，所以我们叫它bottom-up；层4、5、6对应的支路就是所谓的top-down网络，是FPN的核心部分，名字的来由也很简单。

2. 为什么FPN能够很好的处理小目标？

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图6 FPN处理小目标

如上图所示，FPN能够很好地处理小目标的主要原因是：

FPN可以利用经过top-down模型后的那些上下文信息（高层语义信息）；
对于小目标而言，FPN增加了特征映射的分辨率（即在更大的feature map上面进行操作，这样可以获得更多关于小目标的有用信息），如图中所示；

三、 FPN性能评估

1. FPN效果定量评估

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表1 Faster R-CNN+FPN结果

如上表所示，我们可以看到当我们使用相同的预训练网络、相同的RPN网络、Fast R-CNN使用不同的方法时，我们的特征层由原来的C4或者C5变化为现在的特征集合Pk，同时FPN方案使用了横向连接（lateral）和top-down模型，算法的性能有了大幅度上升，与a相比提升了2.2个百分点，与b相比提升了4.0个百分点（AP@0.5）；对于APs，提升了5.9个百分点；对于APm，提升了5.3个百分点。这也说明了FPN能够提升小目标的检测效果。

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表2 FPN高效训练结果

观察表2，我们可以看到使用FPN的Fast R-CNN+FPN和没有使用FPN的Fast R-CNN方案之间的差别，首先我们的特征维度由1024减少到256维（这样可以大大的减少一些运算量，包括前向和反向运算）；我们利用2个MLP层取代了Conv5，作为我们的头分类器；我们的训练时间由原来的44.6小时减少到现在的10.6小时，速度大概提升了4倍；我们的推理时间由原来的0.32s减少到现在的0.15s；最后，我们的准确率提升了2.0个百分点。主要的原因是因为我们通过FPN获得了更加鲁邦的高层语义特征，它使得我们的学习过程更加高效。

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