研究生论文fpn

在深度学习兴起以前，很多传统方法都会使用到 图像金字塔 。图像金字塔如上图所示，就是将图片resize到不同的大小，然后分别得到对应大小的特征，然后进行预测。这种方法虽然可以一定程度上解决多尺度的问题，但是很明显，带来的计算量也非常大。

上图是使用单个feature map进行检测，这种结构在17年的时候是很多人在使用的结构，比如YOLOv1、YOLOv2、Faster R-CNN中使用的就是这种架构。直接使用这种架构导致预测层的特征尺度比较单一，对小目标检测效果比较差。ps: YOLOv2中使用了multi-scale training的方式一定程度上缓解了尺度单一的问题，能够让模型适应更多输入尺度。

上图进行了在不同大小的feature map上分别进行预测，具有了多尺度预测的能力，但是特征与特征之间没有融合，遵从这种架构的经典的目标检测架构就是SSD, SSD用了非常多的尺度来进行检测。

然后就是非常经典的FPN架构，FPN可以非常方便地应用到两阶段网络如Faster R-CNN等或者一阶段网络YOLO、SSD等。FPN通过构造一种独特的特征金字塔来避免图像金字塔中计算量过高的问题，同时能够较好地处理目标检测中的多尺度变化问题，效果能够达到当时的STOA。SSD的一个改进版DSSD就是使用了FPN，取得了比SSD更好的效果。

这里展开描述一下FPN的细节：

为了方便说明，做出以下规定：

假设当前层为第三层 , 要与 的特征进行融合，那么 先通过 卷积约束通道数和 层达到一致；来自 通过2倍上采样得到的feature map大小和 一致，最终 是通过 上采样结果和 进行element wise add得到结果。

那么 为什么FPN采用融合以后效果要比使用pyramidal feature hierarchy这种方式要好 呢？有以下几个原因：

黑色的框是理论感受野，中心呈高斯分布的亮点是实际感受野，FPN中的top-down之路通过融合不同感受野， 两个高斯分布的实际感受野进行融合，能够让高层加强低层所对应的感受野 。（ps:这一部分是笔者的理解，若有不同见解，欢迎讨论交流）

关于感受野这个观点，FPN论文有一张图，跟之前发表的那篇文章很像，如下图所示：

这张图讲的是FPN应用在DeepMask中做实例分割，其中使用了一个5×5的多层感知机来生成一个14×14的分割结果。对应的浅橙色的区域代表的是对应到原图的区域（与理论感受野相似），深橙色区域对应的是典型的目标区域（与实际感受野类似），观察这个图我们可以得到几个结论：

以上这点很多讲解FPN网络的作者们都忽略了，如果对这个部分感兴趣，可以到FPN中的附录中找到详细解读。

消融实验

以上是FPN各部分的专有名称，作者详细对比了top-down pathway带来的增益，lateral connection带来的增益，

上表中的实验中能得到几个结论：

文章中还有几个实验将FPN添加到RPN网络、DeepMask结构中，都带来不错的效果，FPN确实是一个比较好的feature fusion方法，在此之后，有很多架构的网络也不断地被提出来，都带来了一定的提升。

总结

本来这篇文章想要将FPN架构的系列写完，但是这样篇幅太大了，所以将这个列成一个小的系列，专门关心FPN的设计。

之前和一个群友在讨论的时候聊到了 FPN的设计 ，当时灵感迸发，产生以下想法：

其实看论文比较多的读者可能已经想到了，ASFF, BiFPN，BiSeNet，ThunderNet等，这都是比较好解决这个问题的方法。之后会继续解读这几个网络中关于FPN的设计，也欢迎大家交流自己的想法。

特征融合方式总结

目标检测论文整理最近开始看一些object detection的文章，顺便整理一下思路。排版比较乱，而且几乎所有图片都是应用的博客或论文，如有侵权请联系我。文章阅读路线参考目前已完成的文章如下，后续还会继续补充（其中加粗的为精读文章）：RCNNOverfeatMR-CNNSPPNetFast RCNNA Fast RCNNFaster RCNNFPNR-FCNMask RCNNYOLOYOLO 9000YOLO v3SSDDSSDR-SSDRetinaNet（focal loss）DSODCascade R-CNN（待续）吐槽一下，博客园的markdown竟然没有补齐功能，我还是先在本地补全再传上来吧。。。RCNN之前的故事Histogram of Gradient (HOG) 特征在深度学习应用之前，图像的特征是人工定义的具有鲁棒性的特征，如SIFT，HOG等，下面简要介绍一下HOG。8x8像素框内计算方向梯度直方图：HOG Pyramid特征金字塔，对于不同大小的物体进行适应，设计尺度不变性特征HOG特征 -> SVM分类DPM模型 Deformable Part Model加组件组合的HOG特征， 组件间计算弹性得分，优化可变形参数如果没有弹性距离，就是BoW (Bag of Word)模型， 问题很大， 位置全部丢失:n个组件的DPM计算流程:Selective Search 思想过分割后基于颜色纹理等相似度合并,然后，过分割、分层合并、建议区域排序基于Selective Search + DPM/HoG + SVM的物体识别此时的框架就是RCNN的雏形，因为DPM就是基本由RBG和他导师主导，所以大神就是大神。AlexNet的图像分类（深度学习登场）2012年AlexNet赢得LSVRC的ImageNet分类竞赛。深度CNN结构用来图像特征提取。bounding-box regression 框回归BBR 在DPM时代就和SVM分类结合，一般直接使用线性回归，或者和SVR结合RCNN: Rich feature hierarchies for accurate object detection and semantic segmentationRCNN作为深度学习用于目标检测的开山之作，可以看出是基于Selective Search + DPM/HoG + SVM框架，只不过将是将手工特征转变为CNN提取特征，本文主要贡献如下：CNN用于object detection解决数据集不足的问题主要流程如下：regional preposals（selective research）CNN feature extractionSVM ClassificationNMSbounding-box regression（BBR）为啥能work？优秀的目标检测框架，region proposal 和 regression offset降低了目标检测的难度，强大的CNN特征提取器，代替传统的已经到瓶颈的手工特征迁移训练降低了对数据集的要求MR-CNN：Object detection via a multi-region & semantic segmentation-aware CNN modelMulti-Region的提出， 开始对Box进一步做文章， 相当于对Box进一步做增强，希望改进增强后的效果，主要改善了部分重叠交叉的情况。特征拼接后使得空间变大，再使用SVM处理， 效果和R-CNN基本类似.OverFeat:Integrated Recognition, Localization and Detection using Convolutional Networks不得不说虽然OverFeat在但是比赛成绩不是太好，但是它的思想还是很有启发性的。OverFeat直接抛弃了Selective Search，采用CNN上slide windows来进行框推荐，并且把Bounding box Regression整合一起使用全连接层搞定， 解决了后面一端的问题（取代了SVM分类器和BBR线性回归器），这个思想影响了后来的Fast RCNN。是第一个End to End 的目标检测模型，模型虽然简陋，但是可以验证网络强大的拟合能力注意整合目标检测的各项功能（分类，回归）。亮点：先用CNN得到feature map再做slide windows推荐区域，避免了特征重复计算。设计了End to End模型，方便优化和加快检测速度设计全卷积网络，并进行多尺度图像训练maxpool offset（没有Fast RCNN的ROI Pooling自然）为啥能work？可以看出OverFeat将不同的两个问题物体分类和位置回归采用了两个分支网络，共用前面的CNN特征表述，而CNN提取的特征正如OverFeat所言，是一种类似于SIFT，HOG等人工描述子的一种稳定的描述子（底层抽象），可以用于构建不同的任务（高层表述），也就是模型为什么能work的原因。SPPNetR-CNN和Overfeat都存在部分多尺度，重叠效果的问题。 某种意义上， 应对了HoG特征， 这样对于物体来说类似BoW模型， 我们知道DPM里面，是带有组件空间分布的弹性得分的， 另外也有HoG Pyramid的思想。 如何把Pyramid思想和空间限制得分加入改善多尺度和重叠的效果呢？ MR-CNN里面尝试了区域增强， Overfeat里面尝试了多尺度输入。 但是效果都一般。 这里我们介绍另外一个技术Spatial Pyramid Matching, SPM，是采用了空间尺度金字塔的特点。和R-CNN相比做到了先特征后区域， 和Overfeat相比自带Multi-Scale。SPP pooling layer 的优势：解决了卷积层到全连接层需要固定图片大小的问题，方便多尺度训练。能够对于任意大小的输入产生固定的输出，这样使得一幅图片的多个region proposal提取一次特征成为可能。进一步强调了CNN特征计算前移， 区域处理后移的思想， 极大节省计算量也能看出文章还是强调用CNN做特征的提取，还是用的BBR和SVM完成回归和分类的问题Fast RCNN可以看出Fast RCNN结合了OverFeat和Sppnet的实现，打通了高层表述和底层特征之间的联系主要流程：任意size图片输入CNN网络，经过若干卷积层与池化层，得到特征图；在任意size图片上采用selective search算法提取约2k个建议框；根据原图中建议框到特征图映射关系，在特征图中找到每个建议框对应的特征框【深度和特征图一致】，并在RoI池化层中将每个特征框池化到H×W【VGG-16网络是7×7】的size；固定H×W【VGG-16网络是7×7】大小的特征框经过全连接层得到固定大小的特征向量；将上一步所得特征向量经由各自的全连接层【由SVD分解实现(全连接层加速)】，分别得到两个输出向量：一个是softmax的分类得分，一个是Bounding-box窗口回归；利用窗口得分分别对每一类物体进行非极大值抑制剔除重叠建议框其中ROI POOL层是将每一个候选框映射到feature map上得到的特征框经池化到固定的大小，其次用了SVD近似求解实现全连接层加速。这里需要注意的一点，作者在文中说道即使进行多尺度训练，map只有微小的提升，scale对Fast RCNN的影响并不是很大，反而在测试时需要构建图像金字塔使得检测效率降低。这也为下一步的多尺度改进埋下了伏笔。为啥能更好的work？也是结合了OverFeat的和SPPnet的work，同时规范了正负样本的判定（之前由于SVM和CNN对区域样本的阈值划分不同而无法统一网络，当然这只是其中的一个原因。更多的估计是作者当时没想到），将网络的特征抽取和分类回归统一到了一个网络中。A Fast RCNN： Hard Positive Generation via Adversary for Object Detection这篇论文是对,CMU与rbg的online hard example mining(OHEM)改进，hard example mining是一个针对目标检测的难例挖掘的过程，这是一个更充分利用数据集的过程。实际上在RCNN训练SVM时就已经用到，但是OHEM强调的是online，即如何在训练过程中选择样本。同期还有S-OHEM的改进。而随着但是GAN的火热，A-Fast-RCNN尝试生成hard example（使用对抗网络生成有遮挡和有形变的两种特征，分别对应网络ASDN和ASTN）结论如下：ASTN 和 随机抖动（random jittering）做了对比，发现使用AlexNet，mAP分别是58.1%h和57.3%，使用VGG16，mAP分别是69.9%和68.6%，ASTN 的表现都比比随机抖动效果好。作者又和OHEM对比，在VOC 2007数据集上，本文方法略好（71.4% vs. 69.9%），而在VOC 2012数据集上，OHEM更好（69.0% vs. 69.8%）。gan用于目标检测还没有很好的idea，这篇论文相当于抛砖引玉了。同时需要注意的一个问题，网络对于比较多的遮挡和形变情况识别情况更好；但是对于正常目标的特征抽象能力下降，所以有时候创造难例也要注意样本的数量。下面是一些由于遮挡原因造成的误判。Faster RCNN：Towards Real-Time Object Detection with Region Proposal Networks这篇文章标志着two-stage目标检测的相对成熟，其主要改进是对候选区域的改进，将候选区域推荐整合进了网络中。结合后面的一系列文章，可以马后炮一下它的缺点：虽然Faster RCNN已经共享了绝大部分卷积层运算，但是RoI之后还有部分ConvNet的计算，有没有可能把ROI之上的计算进一步前移？ 请看R-FCNFaster RCNN还是没有很好的解决多尺度问题，如何解决，请看FPNYOLO：You Only Look Once作者的论文简直是一股论文界的泥石流，作者本身是一个喜欢粉红小马的大叔，萌萌哒。实际上YOLO一直发展到v3都是简单粗暴的目标检测方法，虽然学术界模型繁杂多样，但是在实际应用工业应用上YOLO绝对是一个首选的推荐。YOLO v1版本现在看来真是简单粗暴，也印证了网络抽象的强大之处。可以看出作者没有受到太多前辈的影响，将对象检测重新定义为单个回归问题，直接从图像像素到边界框坐标和类概率（当然这也是一个缺少坐标约束也是一个缺点）。YOLO的明显缺点，如多尺度问题，密集物体，检测框耦合，直接回归坐标等在yolo 9000中也做了比较好的改进。SSD：Single Shot MultiBox DetectorSSD作为one stage的代表模型之一，省去了判断推荐候选区域的步骤(实际上可以认为one-stage就是以feature map cell来抽象代替ROI Pooling功能） ，虽然SSD和Faster RCNN在Anchor box上一脉相承，但是Faster RCNN却还是有一个推荐候选区域（含有物体的区域）的监督部分（注意后面其实也是整合到了最终Loss中），因此one-stage优势是更快，而含有区域推荐的two-stage目前是更加准确一些。（更看好one-stage，其实区域推荐不太符合视觉系统，但是可以简化目标检测问题），主要贡献：用多尺度feature map来预测，也生成了更多的default box检测框对每一类对象产生分数（低耦合，对比yolo）缺点：底层feature map高级语义不足 （FPN)正负样本影响 (focal loss)feature map抽象分类和回归任务只用了两个卷积核抽象性不足（DSSD）为啥能更好的工作？SSD的出现对多尺度目标检测有了突破性进展，利用卷积层的天然金字塔形状，设定roi scale让底层学习小物体识别，顶层学习大物体识别FPN：feature pyramid networksSSD网络引入了多尺度feature map，效果显著。那Faster RCNN自然也不能落后，如何在Faster RCNN中引入多尺度呢？自然有FPN结构同时FPN也指出了SSD因为底层语义不足导致无法作为目标检测的feature map注意原图的候选框在Faster RCNN中只固定映射到同一个ROI Pooling中，而现在如果某个anchor和一个给定的ground truth有最高的IOU或者和任意一个Ground truth的IOU都大于0.7，则是正样本。如果一个anchor和任意一个ground truth的IOU都小于0.3，则为负样本。本文算法在小物体检测上的提升是比较明显的，另外作者强调这些实验并没有采用其他的提升方法（比如增加数据集，迭代回归，hard negative mining），因此能达到这样的结果实属不易。DSSD：Deconvolutional Single Shot Detector一个SSD上移植FPN的典型例子，作者主要有一下改动：将FPN的Upsampling变成deconv复杂了高层表述分支（分类，回归）网络的复杂度R-SSD：Enhancement of SSD by concatenating feature maps for object detection本文着重讨论了不同特征图之间的融合对SSD的影响（水论文三大法宝），这篇论文创新点不是太多，就不说了DSOD： Learning Deeply Supervised Object Detectors from Scratch这篇文章的亮点：提出来了不需要预训练的网络模型DSOD实际上是densenet思想+SSD，只不过并不是在base model中采用densenet，而是密集连接提取default dox的层，这样有一个好处：通过更少的连接路径，loss能够更直接的监督前面基础层的优化，这实际上是DSOD能够直接训练也能取得很好效果的最主要原因，另外，SSD和Faster RCNN直接训练无法取得很好的效果果然还是因为网络太深（Loss监督不到）或者网络太复杂。Dense Prediction Structure 也是参考的densenetstem能保留更多的信息，好吧，这也行，但是对效果还是有提升的。YOLO 9000：Better, Faster, Stronger很喜欢这个作者的论文风格，要是大家都这么写也会少一点套路，多一点真诚。。。。文章针对yolo做了较多的实验和改进，简单粗暴的列出每项改进提升的map。这个建议详细的看论文。下面列举几个亮点：如何用结合分类的数据集训练检测的网络来获得更好的鲁棒性将全连接层改为卷积层并结合了细粒度信息（passthrough layer）Multi-Scale TraningDimension Clustersdarknet-19更少的参数Direct locaion prediction对offset进行约束R-FCN：Object Detection via Region-based Fully Convolutional Networks本文提出了一个问题，base CNN网络是为分类而设计的（pooling 实际上是反应了位置的不变性，我一张人脸图片只要存在鼻子，两只眼睛，分类网络就认为它是人脸，这也就是Geoffrey Hinton 在Capsule中吐槽卷积的缺陷），而目标检测则要求对目标的平移做出准确响应。Faster RCNN是通过ROI pooling让其网络学习位置可变得能力的，再次之前的base CNN还是分类的结构，之前讲过R-FCN将Faster RCNN ROI提取出来的部分的卷积计算共享了，那共享的分类和回归功能的卷积一定在划分ROI之前，那么问题来了，如何设计让卷积对位置敏感？主要贡献：将用来回归位置和类别的卷积前置共享计算，提高了速度。巧妙设计score map（feature map）的意义（感觉设计思想和yolo v1最后的全连接层一样），让其何以获得位置信息，之后在经过ROI pooling和vote得到结果为啥能work？实际上rfcn的feature map设计表达目标检测问题的方式更加抽象（ROI pool前的feature map中每一个cell的channel代表定义都很明确），loss在监督该层时更能通过论文中关于ROI pool和vote设计，在不同的channel上获得高的响应，这种设计方式可能更好优化（这个是需要大量的实验得出的结论），至于前面的resnet-base 自然是抽象监督，我们本身是无法理解的，只是作为fintuning。实际上fpn的loss监督也是非常浅和明确的，感觉这种可以理解的优化模块设计比较能work。Focal Loss: Focal Loss for Dense Object Detection这篇文章实际上提供了另外一个角度，之前一直认为Single stage detector结果不够好的原因是使用的feature不够准确（使用一个位置上的feature），所以需要Roi Pooling这样的feature aggregation办法得到更准确的表示。但是这篇文章基本否认了这个观点，提出Single stage detector不好的原因完全在于：极度不平衡的正负样本比例: anchor近似于sliding window的方式会使正负样本接近1000：1，而且绝大部分负样本都是easy example，这就导致下面一个问题：gradient被easy example dominant的问题：往往这些easy example虽然loss很低，但由于数 量众多，对于loss依旧有很大贡献，从而导致收敛到不够好的一个结果。所以作者的解决方案也很直接：直接按照loss decay掉那些easy example的权重，这样使训练更加bias到更有意义的样本中去。很直接地，如下图所示:实验中作者比较了已有的各种样本选择方式：按照class比例加权重：最常用处理类别不平衡问题的方式OHEM：只保留loss最高的那些样本，完全忽略掉简单样本OHEM+按class比例sample：在前者基础上，再保证正负样本的比例（1：3）Focal loss各种吊打这三种方式，coco上AP的提升都在3个点左右，非常显著。值得注意的是，3的结果比2要更差，其实这也表明，其实正负样本不平衡不是最核心的因素，而是由这个因素导出的easy example dominant的问题。RetinaNet 结构如下实际上就是SSD+FPN的改进版