PANet算法笔记 - 好文

论文：Path Aggregation Network for Instance Segmentation
论文链接：https://arxiv.org/abs/1803.01534 <https://arxiv.org/abs/1803.01534>

这篇是CVPR2018关于实例分割（instance segmentation）的文章，既是COCO2017实例分割比赛的冠军，也是目标检测比赛的第二名。

这篇文章提出的Path Aggregation Network (PANet)整体上可以看做是在Mask
RCNN上做多处改进，充分利用了特征融合，比如引入bottom-up path augmentation结构，充分利用网络浅特征进行分割；引入adaptive
feature pooling使得提取到的ROI特征更加丰富；引入fully-connected
fusion，通过融合一个前背景二分类支路的输出得到更加精确的分割结果。整体而言对于目标检测和分割系列算法有不少启发，接下来就来看看具体是怎么做的吧。

Figure1是关于PANet的示意图，主要包含FPN、bottom-up path augmentation、adaptive feature
pooling、fully-connected fusion四个部分。
FPN是CVPR2017的一篇文章，主要是通过融合高低层特征提升目标检测的效果，尤其可以提高小尺寸目标的检测效果。
Bottom-up Path Augmentation
的引入主要是考虑网络浅层特征信息对于实例分割非常重要，这个也非常容易理解，毕竟浅层特征多是边缘形状等特征，而实例分割又是像素级别的分类。那么为什么bottom-up
path augmentation能保留更多的浅层特征呢？作者在Figure1中用红绿两个箭头来解释了。红色虚线箭头
表示在FPN算法中，因为要走自底向上的过程，浅层的特征传递到顶层要经过几十甚至一百多个网络层（在FPN中，对应Figure1中那4个蓝色矩形块从下到上分别是ResNet的res2、res3、res4和res5层的输出，层数大概在几十到一百多左右），显然经过这么多层的传递，浅层特征信息丢失会比较厉害。
绿色虚线箭头表示作者添加一个bottom-up path augmentation，本身这个结构不到10层，这样浅层特征经过底下原来FPN的lateral
connection连接到P2再从P2沿着bottom-up path
augmentation传递到顶层，经过的层数就不到10层，能较好地保留浅层特征信息。关于bottom-up path
augmentation的具体设计参考后面的Figure2，最后融合得到的特征层是N2、N3、N4、N5，其中N2和P2相同，这些特征层用于后续的预测框分类、回归和mask生成。
Adaptive Feature Pooling主要做的还是特征融合。我们知道在Faster
RCNN系列的目标检测或分割算法中，RPN网络得到的ROI需要经过ROI Pooling或ROI
Align提取ROI特征，这一步操作中每个ROI所基于的特征都是单层特征（FPN也是如此），比如ResNet网络中常用的res5的输出。而adaptive
feature pooling则是将单层特征也换成多层特征，也就是说每个ROI需要和多层特征（文中是4层）做ROI
Align的操作，然后将得到的不同层的ROI特征融合在一起，这样每个ROI特征就融合了多层特征。具体内容可以看后面的Figure6。
Fully-connected Fusion
是针对原有的分割支路（FCN）引入一个前背景二分类的全连接支路，通过融合这两条支路的输出得到更加精确的分割结果。具体内容可以看后面的Figure4。

Figure2是bottom-up path augmentation的示意图
，是比较常规的特征融合操作，比如Ni经过卷积核尺寸为3*3，stride=2的卷积层，特征图尺寸缩减为原来的一半，然后和Pi+1做element-wise
add，得到的结果再经过一个卷积核尺寸为3*3，stride=1的卷积层得到Ni+1，特征图尺寸不变。

Figure6是adaptive feature poolng的示意图
。RPN网络得到的每个ROI都要分别和N2、N3、N4、N5层特征做ROIAlign操作，这样每个ROI就提取到4个不同的特征图，然后将4个不同的特征图融合在一起就得到最终的特征，后续的分类和回归都是基于最终的特征进行。

之所以引入adaptive feature
pooling其实是基于FPN中提取ROI特征的思考，虽然FPN网络基于多层特征做预测，但是每个ROI提取特征时依然是基于单层特征，然而单层特征就足够了吗？于是作者做了Figure3这个实验，Figure3中有4条曲线，对应FPN网络中基于4层特征做预测，每一层都会经过RPN网络得到ROI，所以这4条曲线就对应4个ROI集合。横坐标则表示每个ROI集合所提取的不同层特征的占比。比如蓝色曲线代表level1，应该是尺度比较小的ROI集合，这一类型的ROI所提取的特征仅有30%是来自于level1的特征，剩下的70%都来自其他level的特征，leve2、leve3、leve4曲线也是同理，这说明原来RPN网络的做法（level
x的ROI所提取的特征100%来自于leve
x的特征，x可取1、2、3、4）并不是最佳的。因此就有了特征融合的思考，也就是每个ROI提取不同层的特征并做融合，这对于提升模型效果显然是有利无害。

Figure4是fully-connected fusion的示意图
。主要是在原来的mask支路（Figure4上面那条支路，也就是传统的FCN结构）上增加了Figure4下面那条支路做融合。增加的这条支路包含2个3*3的卷积层（其中第二个为了降低计算量还将通道缩减为原来的一半），然后接一个全连接层，再经过reshape操作得到维度和上面支路相同的前背景mask，也就是说下面这条支路做的是前景和背景的二分类，因此输出维度类似文中说到的28*28*1。上面这条支路，也就是传统的FCN结构将输出针对每个类别的二分类mask，因此输出的通道就是类别的数量，输出维度类似28*28*K，K表示类别数。最终，这两条支路的输出mask做融合得到最终的结果。因此可以看出这里增加了关于每个像素点的前背景分类支路，通过融合这部分特征得到更加精确的分割结果。

在附录B中作者提到跨GPU的BN层计算，引入这个的目的主要是为了在训练过程中BN层的计算会更加稳定，因为BN层的计算依赖batch
size的设置，过小的batch size容易导致BN层的参数不稳定，但是two stage的目标检测算法搭配Caffe框架，其batch
size会小的可怜，因此跨GPU计算BN是必须的。

实验结果：
Table1是PANet和Mask RCNN、FCIS算法（COCO2016实例分割算法冠军）在COCO数据集上的分割效果对比。

Table2是PANet和Mask RCNN、FCIS、RentinaNet算法在COCO数据集上的检测效果
对比，优势还是比较明显的（主网络为ResNeXt-101时，单模型效果达到45算很高了）。

Table3是关于文章中提到的几个优化点带来的效果提升，其中RBL是这篇文章的baseline，也就是Mask RCNN。

Table6和Table7是关于在COCO实例分割和目标检测比赛上的结果。可以重点看下在实例分割中的一些涨点方法。1、deformable
convolution（DCN），这个基本上已经是标配了。2、testing tricks，提了2.5个mAP，主要包括multi-scale
tesing，这个比较耗时，但是效果一般都不差；horizontal flip tesing，这个应该是在训练过程中做到；mask voting和box
voting，投票机制，这里应该是在单模型里面做的，比较好奇。3、larger
model，更深更宽的网络一般效果更好，只是速度也更慢。4、ensemble，也就是模型融合，融合多个了ResNeXt-101、ResNet-269、SE-ResNeXt-101等网络的结果。

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