FPN（特征金字塔網(wǎng)絡(luò)）的直覺、架構(gòu)和表現(xiàn)簡(jiǎn)要介紹

編者按：深度學(xué)習(xí)知名博主Jonathan Hui簡(jiǎn)要介紹了FPN（特征金字塔網(wǎng)絡(luò)）的直覺、架構(gòu)和表現(xiàn)。

檢測(cè)不同尺度的目標(biāo)（尤其是其中的小目標(biāo)）很有挑戰(zhàn)性。我們可以使用同一圖像的不同尺度版本來檢測(cè)目標(biāo)（下圖左部）。然而，處理多尺度圖像很費(fèi)時(shí)，內(nèi)存需求過高，難以同時(shí)進(jìn)行端到端訓(xùn)練。因此，我們可能只在推理階段使用這種方法，以盡可能提高精確度，特別是在競(jìng)賽之類不顧及速度的場(chǎng)景中。我們也可以創(chuàng)建特征金字塔來檢測(cè)目標(biāo)（下圖右部）。然而接近圖像的、由低層結(jié)構(gòu)組成的特征映射在精確目標(biāo)預(yù)測(cè)上效果不佳。

來源：FPN論文

特征金字塔網(wǎng)絡(luò)（Feature Pyramid Network,FPN）是為這一金字塔概念設(shè)計(jì)的特征提取器，設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了精確性和速度。它代替了Faster R-CNN之類的檢測(cè)模型的特征提取器，生成多層特征映射（多尺度特征映射），信息的質(zhì)量比普通的用于特征檢測(cè)的特征金字塔更好。

數(shù)據(jù)流

來源：FPN論文

FPN由自底向上和自頂向下兩個(gè)路徑組成。自底向上的路徑是通常的提取特征的卷積網(wǎng)絡(luò)。自底向上，空間分辨率遞減，檢測(cè)更多高層結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)層的語義值相應(yīng)增加。

FPN特征提?。ㄐ薷淖訤PN論文中的圖片）

SSD基于多個(gè)特征映射進(jìn)行檢測(cè)。然而，低層并不用于目標(biāo)檢測(cè)——這些層的分辨率很高，但語義值不夠高，因此，為了避免顯著的速度下降，目標(biāo)檢測(cè)時(shí)不使用這些層。因?yàn)镾SD檢測(cè)時(shí)僅適用高層，所以在小目標(biāo)上的表現(xiàn)要差很多。

修改自FPN論文中的圖片

而FPN提供了自頂向下的路徑，基于語義較豐富的層構(gòu)建分辨率較高的層。

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盡管重建的層語義足夠豐富，但經(jīng)過這些下采樣和上采樣過程，目標(biāo)的位置不再準(zhǔn)確了。因此FPN在重建層和相應(yīng)的特征映射間增加了橫向連接，以幫助檢測(cè)器更好地預(yù)測(cè)位置。這些橫向連接同時(shí)起到了跳躍連接（skip connection）的作用（類似殘差網(wǎng)絡(luò)的做法）。

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自底向上路徑

自底向上路徑由很多卷積模塊組成，每個(gè)模塊包含許多卷積層。自底向上的過程中，空間維度逐模塊減半（步長(zhǎng)翻倍）。每個(gè)卷積模塊的輸出將在自頂向下的路徑中使用。

自頂向下路徑

上圖中，F(xiàn)PN使用一個(gè)1x1的卷積過濾器將C5（最上面的卷積模塊）的頻道深度降至256維，得到M5。接著應(yīng)用一個(gè)3x3的卷積得到P5，P5正是用于目標(biāo)預(yù)測(cè)的第一個(gè)特征映射。

沿著自頂向下的路徑往下，F(xiàn)PN對(duì)之前的層應(yīng)用最近鄰上采樣（x2）。同時(shí)，F(xiàn)PN對(duì)自底向上通路中的相應(yīng)特征映射應(yīng)用1x1卷積。接著應(yīng)用分素相加。最后同樣應(yīng)用3x3卷積得到目標(biāo)檢測(cè)的特征映射。這一過濾器減輕了上采樣的混疊效應(yīng)。

這一過程在P2后停止，因?yàn)镃1的空間維度太高了。如果不停，依法炮制得到P1的話，會(huì)大大拖慢進(jìn)程。

FPN搭配RPN

FPN自身并不是目標(biāo)檢測(cè)器，而是一個(gè)配合目標(biāo)檢測(cè)器使用的特征檢測(cè)器。例如，使用FPN提取多層特征映射后將其傳給RPN（基于卷積和錨的目標(biāo)檢測(cè)器）檢測(cè)目標(biāo)。RPN在特征映射上應(yīng)用3x3卷積，之后在為分類預(yù)測(cè)和包圍盒回歸分別應(yīng)用1x1卷積。這些3x3和1x1卷積層稱為RPN頭（head）。其他特征映射應(yīng)用同樣的RPN頭。

FPN搭配Fast R-CNN和Faster R-CNN

首先簡(jiǎn)短地概覽下Fast R-CNN和Faster R-CNN的數(shù)據(jù)流。它基于特征映射層創(chuàng)建ROI（感興趣區(qū)域）。然后使用ROI和特征映射層創(chuàng)建特征片，以傳給ROI池化。

FPN生成了特征映射金字塔后，應(yīng)用RPN（見上一節(jié)）生成ROI。根據(jù)ROI的尺寸，選擇最合適的尺度上的特征映射以提取特征片。

基于ROI尺寸選擇特征映射的具體公式為：

其中，w和h為ROI的寬度和高度，k0= 4，k對(duì)應(yīng)FPN中的Pk層。

所以，如果k = 3，我們將選擇P3作為特征映射，應(yīng)用ROI池化，并將結(jié)果傳給Fast R-CNN/Faster R-CNN頭（兩者的頭一致），以完成預(yù)測(cè)。

分割

類似Mask R-CNN，F(xiàn)PN也是一個(gè)優(yōu)良的圖像分割提取掩碼。下圖中，應(yīng)用5x5的滑窗于特征映射，以生成14x14分割。之后，合并不同尺度的掩碼以形成最終的掩碼預(yù)測(cè)。

來源：FPN論文

結(jié)果

FPN搭配RPN，提升AR（average recall，平均召回）至56.3，相比RPN基線提升了8. 在小目標(biāo)上的提升更是達(dá)到了12.9.

來源：FPN論文

基于FPN的Faster R-CNN的推理時(shí)間為0.148秒/張（單Nvidia M40 GPU，ResNet-50），單尺度ResNet-50基線的速度是0.32秒/張。

來源：FPN論文

FPN和當(dāng)前最先進(jìn)的檢測(cè)器實(shí)力相當(dāng)。事實(shí)上，F(xiàn)PN擊敗了COCO 2016和2015挑戰(zhàn)的贏家。

來源：FPN論文

經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

下面是從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中總結(jié)出的一些經(jīng)驗(yàn)。

在單個(gè)高分辨率特征映射層上增加更多錨不足以提升精確度。

自頂向下路徑重建了富含語義信息的分辨率。

但我們需要橫向連接，以便將更多準(zhǔn)確的目標(biāo)空間信息加回來。

在COCO數(shù)據(jù)集上，自頂向下路徑和橫向連接將精確度提升了8。小目標(biāo)的提升達(dá)到了12.9.