一文看尽物体检测中的各种FPN

早期的物体检测算法，无论是一步式的，还是两步式的，通常都是在Backbone的最后一个stage（特征图分辨率相同的所有卷积层归类为一个stage）最后一层的特征图，直接外接检测头做物体检测。此种物体检测算法，可以称之为单stage物体检测算法。

由于单stage物体检测算法中，Backbone的最后一个stage的stride通常是32，导致输出的特征图分辨率是输入图片分辨率的1/32，太小，不利于物体检测，因此单stage的物体检测算法，一般会将最后一个stage的MaxPooling去掉或者将stride为2的conv改为stride为1的conv，以增大最后一个分辨率。

后来研究发现，单stage物体检测算法中，无法用单一stage的特征图同时有效的表征各个尺度的物体，因此，后来物体检测算法，就逐渐发展为利用不同stage的特征图，形成特征金字塔网络（feature parymid network），表征不同scale的物体，然后再基于特征金字塔做物体检测，也就是进入了FPN时代。

本文将认真梳理物体检测中常用的各种FPN。

解构物体检测各个阶段

如上图，我们常见的物体检测算法，其实可以分解为三个递进的阶段：

1）Backbone生成特征阶段

计算机视觉任务一般都是基于常用预训练的Backbone，生成抽象的语义特征，再进行特定任务微调。物体检测也是如此。

Backbone生成的特征，一般按stage划分，分别记作C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7等，其中的数字与stage的编号相同，代表的是分辨率减半的次数，如C2代表stage2输出的特征图，分辨率为输入图片的1/4，C5代表，stage5输出的特征图，分辨率为输入图片的1/32。

2）特征融合阶段

这个是FPN特有的阶段，FPN一般将上一步生成的不同分辨率特征作为输入，输出经过融合后的特征。输出的特征一般以P作为编号标记。如FPN的输入是，C2、C3、C4、C5、C6，经过融合后，输出为P2、P3、P4、P5、P6。这个过程可以用数学公式表达：

3）检测头输出bounding box
FPN输出融合后的特征后，就可以输入到检测头做具体的物体检测。

FPN的演进

物体检测性能提升，一般主要通过数据增强、改进Backbone、改进FPN、改进检测头、改进loss、改进后处理等6个常用手段。

其中FPN自从被提出来，先后迭代了不少版本。大致迭代路径如下图：

1）无融合

无融合，又利用多尺度特征的典型代表就是2016年日出的鼎鼎有名的SSD，它直接利用不同stage的特征图分别负责不同scale大小物体的检测。

2）自上而下单向融合

自上而下单向融合的FPN，事实上仍然是当前物体检测模型的主流融合模式。如我们常见的Faster RCNN、Mask RCNN、Yolov3、RetinaNet、Cascade RCNN等，具体各个FPN的内部细节如下图。

a）Faster/Master/Cascade RCNN中的FPN

Faster/Master/Cascade RCNN中的FPN，利用了C2-C6五个stage的特征，其中C6是从C5直接施加1x1/2的MaxPooling操作得到。FPN融合后得到P2-P6，其中P6直接等于C6，P5是先经过1x1Conv，再经过3x3Conv得到，P2-P4均是先经过1x1Conv，再融合上一层2xUpsample的特征，再经过3x3Conv得到。具体过程可以看上图。

b）RetinaNet中的FPN

RetinaNet中的FPN，利用了C3-C7五个stage的特征，其中C6是从C5直接施加3x3/2的Conv操作得到，C7是从C6直接施加3x3/2的Conv操作得到。FPN融合后得到P3-P7，其中P6、P7直接等于C6、C7，P5是先经过1x1Conv，再经过3x3Conv得到，P3-P4均是先经过1x1Conv，再融合上一层2xUpsample的特征，再经过3x3Conv得到。具体过程可以看上图。

可以看出，RetinaNet基本与Faster/Master/Cascade RCNN中的FPN一脉相承。只是利用的stage的特征略有差别，Faster/Master/Cascade RCNN利用了高分辨率低语义的C2，RetinaNet利用了更低分辨率更高语义的C7。其他都是细微的差别。

c）Yolov3中的FPN

Yolov3中的FPN与上述两个有比较大的区别。首先，Yolov3中的FPN只利用到了C3-C5三个stage的特征；其次，从C5征到P5特征，会先经过5层Conv，然后再经过一层3x3Conv；最后，C3-C4到P3-P4特征，上一层特征会先经过1x1Conv+2xUpsample，然后先与本层特征concatenate，再经过5层Conv，之后经过一层3x3Conv。看图最清楚。

可以看图仔细对比Yolov3与Faster/Master/Cascade RCNN以及RetinaNet细节上的区别。

3）简单双向融合

FPN自从提出来以后，均是只有从上向下的融合，PANet是第一个提出从下向上二次融合的模型，并且PANet就是在Faster/Master/Cascade RCNN中的FPN的基础上，简单增了从下而上的融合路径。看下图。

4）复杂的双向融合

PANet的提出证明了双向融合的有效性，而PANet的双向融合较为简单，因此不少文章在FPN的方向上更进一步，尝试了更复杂的双向融合，如ASFF、NAS-FPN和BiFPN。

ASFF
ASFF（论文：Learning Spatial Fusion for Single-Shot Object Detection）作者在YOLOV3的FPN的基础上，研究了每一个stage再次融合三个stage特征的效果。如下图。其中不同stage特征的融合，采用了注意力机制，这样就可以控制其他stage对本stage特征的贡献度。

NAS-FPN和BiFPN
NAS-FPN和BiFPN，都是google出品，思路也一脉相承，都是在FPN中寻找一个有效的block，然后重复叠加，这样就可以弹性的控制FPN的大小。

其中BiFPN的具体细节如下图。

Recursive-FPN
递归FPN是此文写作之时前两周刚刚新出炉的（原论文是DetectoRS: Detecting Objects with Recursive Feature Pyramid and Switchable Atrous Convolution），效果之好令人惊讶，使用递归FPN的DetectoRS是目前物体检测（COCO mAP 54.7）、实体分割和全景分割的SOTA，太强悍了。

递归FPN理解起来很容易，就是将传统FPN的融合后的输出，再输入给Backbone，进行二次循环，如下图。

下图给出了FPN与Recursive-FPN的区别，并且把一个2层的递归FPN展开了，非常简单明了，不做过多介绍。

5）M2det中的SFAM

M2det中的SFAM，比较复杂，它是先把C3与C5两个stage的特征融合成一个与C3分辨率相同的特征图（下图中的FFM1模块），然后再在此特征图上叠加多个UNet（下图中的TUM模块），最后将每个UNet生成的多个分辨率中相同分辨率特征一起融合（下图中的SFAM模块），从而生成最终的P3、P4、P5、P6特征，以供检测头使用。具体如下图。

每一个模块的详细细节如下图。

思考

FPN的优化会显著带来物体检测的性能提升，当前最好的FPN是递归FPN，期待将来更有效的FPN出现。

最近Facebook出了一篇文章object detection by transformer，如果transformer与各种强大的FPN结合，效果如何还是值得期待。

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参考文献

1. SSD: Single Shot Multibox Detector
2. Faster RCNN: Towards Real-Time Object Detection with Region Proposal Networks
3. Mask RCNN
4. Yolov3: An Incremental Improvement
5. RetinaNet: Focal Loss for Dense Object Detection
6. Cascade RCNN: Delving into High Quality Object Detection
7. PANet: Path Aggregation Network for Instance Segmentation
8. ASFF: Learning Spatial Fusion for Single-Shot Object Detection
9. NAS-FPN: Learning Scalable Feature Pyramid Architecture for Object Detection
10. BiFPN: (EfficientDet: Scalable and Efficient Object Detection)
11. DetectoRS: Detecting Objects with Recursive Feature Pyramid and Switchable Atrous Convolution
12. SFAM（M2det: A single-shot object detector based on multi-level feature pyramid network）