Deformable Convolutional Networks 阅读笔记

Deformable Convolutional Networks（可变形卷积网络）

文章：https://arxiv.org/abs/1703.06211 link.

概述

  这项工作中，作者引入了两个新模块来增强CNN的建模能力:deformable convolution （可变形卷积）和deformable RoI pooling（可变形ROI池化）。 两者均基于以下思路：在模块中增加具有额外偏移量的空间采样位置，并从目标任务中学习偏移量，而无需额外的监督。 新模块可以简单地替换现有CNN中的对应模块，并且可以通过反向传播进行端到端训练，从而产生可变形的卷积网络（由于非深度学习架构的层的存在，需要单独编译该模型）。深度CNN中学习密集的空间变换对于复杂的视觉任务（例如对象检测和语义分割）是有效的。使用该模块的卷积模型称为Deformable Convolutional Networks，文章都是以二维卷积和池化为例子，在通道维度上进行扩展就可以得到常规情况。

deformable convolution

以3×3卷积层为例说明：

（a）标准卷积的采样点（3×3网格）（绿点）。（b）可变形卷积中具有额外偏移量（浅蓝色箭头）的采样位置（深蓝色点）。（c）（d）是（b）的特例，即规则分布的采样点。
  这说明可变形卷积包含了比例、（各向异性的）长宽比和旋转等变换。偏移量是通过其他卷积层从前面的特征图中得到。因此，可变形卷积的采样方式（局部、密集、自适应）取决于输入特征。
  二维的卷积操作可以分为两步：在输入feature map的规则的网格 $\mathcal{R}$中进行采样；通过权重 $\mathcal{W}$计算加权和；如
$\mathcal{R}=\{\left(-1,-1\right),\left(-1,0\right),\ldots,\left(0,1\right),\left(1,1\right)\}$

定义了3×3的卷积核和1的膨胀范围。对于输出的feature map y的每个位置 $p_0$有
$\mathbf{y}\left(\mathbf{p}_{0}\right)=\sum_{\mathbf{p}_{n} \in \mathcal{R}} \mathbf{w}\left(\mathbf{p}_{n}\right) \cdot \mathbf{x}\left(\mathbf{p}_{0}+\mathbf{p}_{n}\right)$

$p_n$对应于规则的采样点位置。但在可变形卷积中，规则的网格 $\mathcal{R}$采样点附加了一个偏移量 $\left\{\Delta p_{n} | n=1,2, \ldots, N\right\}, N=|\mathcal{R}|$： $\mathbf{y}\left(\mathbf{p}_{0}\right)=\sum_{\mathbf{p}_{n} \in \mathcal{R}} \mathbf{w}\left(\mathbf{p}_{n}\right) \cdot \mathbf{x}\left(\mathbf{p}_{0}+\mathbf{p}_{n}+\Delta \mathbf{p}_{n}\right)$

现在采样点的分布不规则了： $p_n+∆p_n$，上式通过双线性插值实现：
$\mathbf{x}(\mathbf{p})=\sum_{\mathbf{q}} G(\mathbf{q}, \mathbf{p}) \cdot \mathbf{x}(\mathbf{q})$

p表示任意（分数）位置（ $p=p_0+p_n+∆p_n$）；q穷举特征图x中的所有整数的空间位置， $G\left(\bullet,\bullet\right)$是双线性插值，虽然是在二维上操作，但其可以分为x，y方向上的两个一维函数：
$G(\mathbf{q}, \mathbf{p})=g\left(q_{x}, p_{x}\right) \cdot g\left(q_{y}, p_{y}\right)$

其中 $g\left(a,b\right)=max\left(0,1-\left|a-b\right|\right)$，得益于 $G\left(\bullet,\bullet\right)$对于多数q是零值，所以能够快速完成 $x\left(p\right)$的计算。

  偏移量是通过在同一张feature map上通过卷积得到；卷积核和当前卷积层的核尺寸相同。输出的偏移量具有与输入相同的空间分辨率；2N个通道对应于N个2D（X，Y方向）偏移。在训练期间，同时学习输出特征的卷积核和偏移量，通过双线性运算对梯度进行反向传播。

deformable RoI pooling

  该池化层为前面RoI pooling的每个位置添加一个偏移量；偏移量从前面的feature maps 和RoIs中学习。目标检测中ROI pooling将任意大小的输入矩形区域转换为固定大小的feature。
RoI Pooling：

（https://blog.csdn.net/H_hei/article/details/89791176）
  对于给定输入feature map X、ROI（w×h）和左上角点 $p_0$，RoI Pooling将ROI区域划分为k×k个子区域bin，输出k×k的feature map y，对于每个子区域中的位置 $\left(i,j\right)$有
$\mathbf{y}(i, j)=\sum_{\mathbf{p} \in \operatorname{bin}(i, j)} \mathbf{x}\left(\mathbf{p}_{0}+\mathbf{p}\right) / n_{i j}$

$n_{ij}$是bin区域的元素数量，第 $\left(i,j\right)$个bin跨度 $\left\lfloor i \frac{w}{k}\right\rfloor \leq p_{x}<\left\lceil(i+1) \frac{w}{k}\right\rceil$、 $\left\lfloor j \frac{h}{k}\right\rfloor \leq p_{y}<\left\lceil(j+1) \frac{h}{k}\right\rceil$，所以在deformable RoI pooling中增加对每个bin的偏移量 $\left\{\Delta \mathbf{p}_{i j} | 0 \leq i, j<k\right\}$：
$\mathbf{y}\left(i,j\right)=\sum_{\mathbf{p}\in b i n\left(i,j\right)}{\mathbf{x}\left(\mathbf{p}_\mathbf{0}+\mathbf{p}+\Delta\mathbf{p}_{\mathbf{ij}}\right)/}n_{ij}$

$\Delta\mathbf{p}_{\mathbf{ij}}$是分数形式。

  上图说明了如何获得偏移量：首先，ROI pooling生成池化的特征图； fc层根据这些图生成归一化的偏移量 $\Delta \hat{p}_{i j}$，和RoI的宽度w和高度h相乘得到上式的偏移量 $\Delta \mathbf{p}_{i j}=\gamma \cdot \Delta \widehat{\mathbf{p}}_{i j} \circ(w, h)$，其中γ（0.1）是预定义的标量，用于调制偏移量。

Position-Sensitive (PS) RoI Pooling：

R-FCN中提出的池化方式PS RoI Pooling：

  为了引入平移敏感性，R-FCN在全卷积网络的最后层之后添加了一个1×1卷积层输出position-sensitive score map，具有k×k×(C+1)的维度，其中C代表类别数（+1背景），k是之后的ROI Pooling中对ROI区域要划分的小格数，论文中k=3就是对ROI在长宽方向各三等分形成9个小区域，每张score map中存放的是所有目标的某一部位的特征图。
  在后续的ROI pooling时，对RoI的k×k个区域（3×3 = 9）分别进行pooling，但不是对score map所有的维度进行pooling，每个小区域只会在对应的(C+1)个维度上作pooling，比如ROI左上角的区域就在前C+1个维度上pooling，左中位置的区域就在C+2到2C+2的区间维度上作pooling，依次类推得到C+1维的k×k特征图，对应于C+1类别的得分，对每个类别的得分进行求和（或者平均）作为每个类别的得分（上图中的vote过程），再经过softmax得分最大值类别输出。

  在deformable PS RoI pooling中，仍然遵照下式，区别是 $\mathbf{x}\rightarrow\mathbf{x}_{i,j}$：

$\mathbf{y}\left(i,j\right)=\sum_{\mathbf{p}\in b i n\left(i,j\right)}{\mathbf{x}_{i,j}\left({p}_{0}+{p}+\Delta{p}_{{ij}}\right)/}n_{ij}$

  但是偏移量的学习是不同的，如上图所示。在上面的分支中，卷积层生成完整的空间偏移场。 然后对于每个RoI，都使用PS RoI pooling以获得归一化的偏移量∆pij，然后和deformable RoI pooling一样转换为实际偏移 $\Delta\mathbf{p}_{\mathbf{ij}}$。

Deformable ConvNets

Deformable Convolution for Feature Extraction：
  文章使用ResNet-101和Inception-ResNet进行实验。去掉平均池化和全连接层，在最后添加随机初始化的1×1卷积，将通道数减小到1024。最后一个block块的有效步长从32减小到16（增加feature map分辨率）。
Segmentati on and Detection Networks：DeepLab、Category-Aware RPN、Faster R-CNN、R-FCN
  在ResNet-101中常规卷积替换为可变形卷积的效果如下表所示：

  将Deformable RoI Pooling应用到Faster RCNN 和R-FCN上，得到明显的效果提升，特别是[email protected]上：

模型复杂度和运行时间的比较：

  对于原模型来说，只增加了少量的参数和运行时间（前传、包含预处理和后处理的完整运行时间）。
  在COCO数据集上的效果比较如下，M表示多尺度测试，B表示迭代bbox平均值。

Understanding Deformable ConvNets

  核心思路就是在卷积和RoI pooling中增加额外的偏移量，并从目标任务中学习偏移量，从而改变空间采样位置。

(a)、(b)分别表示了常规卷积中的感受野和可变形卷积中的自适应感受野。常规卷积中的感受野和采样位置在整个特征图（左）上都是固定的。可变形卷积根据对象的比例和形状进行自适应调整（右）。

上图展示了729个采样点，在同一张图分别考虑背景（左）、较小目标（中）、较大目标（右）的采样情况，可以看到采样点对目标的聚集效应。
  deformable RoI pooling的效果类似，R-FCN 中使用deformable (PS)RoI pooling效果：

其中3×3的池化区域（红色框）和ROI（黄色）。