- 好久沒有寫文章了（對不起我在划水），最近在看北京的租房（真真貴呀）。
- 預告一下，最近無事，根據個人多年的證券操作策略和自己的淺顯的AI時間序列的算法知識，還有自己Javascript的現學現賣，在微信小程序上弄了個簡單的輔助系統。我先試試效果如何，不錯的話將來弄個文章給大家介紹介紹。
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1 概述
FPN是Feature Parymid Network的縮寫。
目標檢測任務中，像是在YOLO1中那種，對一個圖片使用卷積來提取特徵，經過了多個池化層或者stride爲2的卷積層之後，輸出了一個小尺度的特徵圖。然後再這個特徵圖中來做目標檢測。
換句話說，最後得到的目標檢測的結果，完全是依賴於這一個特徵圖，這種方法叫做單stage物體檢測算法。
可想而知，這種方法很難有效的識別出不同大小的目標，所以產生了多stage檢測算法，其實就是要用到了特徵金字塔FPN。
簡單的說就是：一個圖片同樣是經過卷積網絡來提取特徵，本來是經過多個池化層輸出一個特徵圖，現在是經過多個池化層，每經過一個池化層都會輸出一個特徵圖，這樣其實就提取出了多個尺度不同的特徵圖。
然後尺度不同的特徵圖，丟進特徵金字塔網絡FPN，做目標檢測。
（如果還不明白，繼續往下看就明白啦~）
2 FPN結構概述
從圖中可以看到：
- 左邊的c1啊，c2啊表示不同尺度的特徵圖。原始的圖像input的尺寸經過一個池化層或者stride爲2的卷積層之後，尺寸減少一半，這樣就變成了C1特徵圖；如果又經過一個池化層，那麼就變成C2特徵圖。
- C3,C4,C5,C6,C7這個四個尺度不同的特徵圖，進入FPN特徵金字塔網絡進行特徵融合，然後再用檢測頭預測候選框。
- 這裏說一些個人的理解（如果有錯誤，請指正呀）： 這裏剛好區分一下多stage檢測算法和特徵金字塔網絡的區別。
- 多stage檢測算法：從上圖中我們可以看到P3,P4,P5,P6,P7這五個不同尺度的特徵圖進入一個檢測頭預測候選框，這個檢測頭其實就是一個人檢測算法，不過這個神經網絡的輸入是多個不同尺度的特徵圖，輸出則是候選框，所以這個多sgtage檢測算法；
- 特徵金字塔網絡：這個其實是讓不同尺度的特徵圖之間互相融合，來增強特徵圖表徵能力的一種手段。這個過程不是預測候選框，應該算進特徵提取的過程。FPN神經網絡的輸入也是多個不同尺度的特徵圖，輸出也是多個不同尺度的特徵圖，和輸入的特徵圖是相同的。
所以呢，一個多stage檢測算法其實是可以沒有FPN結構，直接用卷積網絡輸出的C3,C4,C5,C6,C7放進檢測頭輸出候選框的。
3 最簡單的FPN結構
自上而下單向融合的FPN，事實上仍然是當前物體檢測模型的主流融合模式。如我們常見的Faster RCNN、Mask RCNN、Yolov3、RetinaNet、Cascade RCNN等，自上而下的單向的FPN結構如下圖所示 ：
這個結構的精髓就是：C5的特徵圖，經過上採樣，然後和C4的特徵圖拼接，然後把拼接之後的特徵圖經過卷積層和BN層，輸出得到P4特徵圖。其中P4和C4的特徵圖的shape相同。
經過這樣的結構，所以P4可以學到來自C5更深層的語義，然後P3可以學到來自C4更深層的語義。個人對此結構有效的解釋，因爲對於預測精度來說，肯定是越深層的特徵提取的越好，所以預測的越準確，但是深層的特徵圖尺度較小，通過上採樣和淺層的特徵圖融合，可以強化淺層特徵圖的特徵表述。
4 無FPN的多stage結構
這是一個沒有用FPN結構的結構圖。無融合，又利用多尺度特徵的典型代表就是2016年日出的鼎鼎有名的SSD，它直接利用不同stage的特徵圖分別負責不同scale大小物體的檢測。
可以看到，卷積網絡輸出的特徵圖直接就放進了特徵頭輸出候選框。
5 簡單雙向融合
原來的FPN是自深到淺單向的融合，現在是先自深到淺、再從淺到深雙向的的融合。PANet是第一個提出從下向上二次融合的模型：
- PAnet： Path Aggregation Network.2018年的CVPR的論文了。
- 論文地址：https://arxiv.org/abs/1803.01534
- 論文名稱：Path Aggregation Network for Instance Segmentation
從圖中可以看到，先有一個跟FPN相同的上採樣過程，然後再從淺到深用stride爲2的卷積完成下采樣。用stride爲2的卷積層把淺層的特徵圖P3下采樣，然後尺寸和C4相同，兩者拼接之後再用3x3的卷積層進行整理，生成P4特徵圖
此外還有很多複雜的雙向融合的操作，這裏不仔細介紹啦。
6 BiFPN
上面的PAnet是最簡單的雙向FPN，但是真正起名爲BiFPN的是另外一個論文。
- BiFPN：2019年google團隊提出的。
- 論文地址：https://arxiv.org/abs/1911.09070
- 論文名稱：EfficientDet: Scalable and Efficient Object Detection
結構不難理解，其實就是在PAnet的結構上，做了一些小改進。但是這個論文的主要貢獻還是EfficientDet的提出，所以BiFPN只是算是一個小貢獻。
7 Recursive-FPN循環特徵金字塔網絡
- Recursive-FPN：效果之好令人驚訝，使用遞歸FPN的DetectoRS算是目標檢測任務的SOTA了吧。（2020年的論文）
- 論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2006.02334
- 論文名稱：DetectoRS: Detecting Objects with Recursive Feature Pyramid and Switchable Atrous Convolution
個人在自身的目標檢測任務中，也使用了RFN結構，雖然要求的算力提升了一倍，但是效果確實提升的比較明顯，大概有3到5個點的提升。 下面來看結構圖：
可以看到，這個有一個虛線和實線構成了一個特徵圖和FPN網絡之間的一個循環。下面展示一個2-step的RFP結構，也就是循環兩次的FPN結構。（如果是1-step，那就是一般的FPN結構）
可以看到，就是把之前的FPN結構中的P3，P4，P5這些，再拼接到卷積網絡的對應的特徵提取過程。拼接之後使用一個3x3卷積層和BN層，把通道數恢復到要求的值就可以用了。
