Light-Head R-CNN

论文信息

原文地址：Light-Head R-CNN: In Defense of Two-Stage Object Detector

代码实现：地址

作者：Zeming Li，Chao Peng，Gang Yu，Xiangyu Zhang，Yangdong Deng，Jian Sun

two-stage 检测器的速度瓶颈

目标检测（detection）主要分为两个流派，one-stage（SSD，YOLO系列等）和 two-stage（R-CNN系列等），前者速度快，后者精度高。

two-stage的检测框架一般将任务分为两步：

• 第一步：产生足够多的候选框（proposal），作者称之为Body（检测器体）

• 第二步：对候选框进行识别，作者称为Head（检测器头）

通常，想要取得最好的准确率，Head的设计一般比较 Heavy，就是计算量参数较多，计算量比较大。作者发现，像 Faster RCNN 和 R-FCN 都有共同点，就是有一个非常 Heavy 的 Head 接到主体框架上：

• Faster RCNN 在对 ResNet 的 conv5 进行 ROI Pooling 后，接了两个全连接层。由于 ROI Pooling 后的特征非常大，所以第一个 fc 层非常耗内存，并且影响速度。每个 Region Proposal 都要经过两个 fc 层也导致计算量非常大。

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• 在 R-FCN中，虽然少了两个全连接层，但是需要构建一个 $Classes×p×p$ 大小的Score Map（ $p$ 为后接的池化层的大小），也是需要非常大的内存和计算量。

由于Faster R-CNN 和 R-FCN 的重头设计，即使换用小的主干网络，速度也很难有较大的提升，于是作者结合两者优点，提出如下两点改进：

• 使用 Large Separable Convolution 来生成一个 “Thin” 的Score Map，Score Map只有 $\alpha×p×p$ 通道。在论文中，作者用了 $\alpha=10$。

• 在 ROI Pooling 后接上一个全连接层。为什么要接上这个全连接层呢？因为原来的 R-FCN 的 Score Map 是 $Classes×p×p$ 通道，正好对应 Classes 的预测，现在没有这么多个通道了，没办法用原来的投票方法了，所以接上一个全连接层也是为了后面能够接上 Faster R-CNN 的回归和分类。

Light-Head R-CNN 与其他网络的速度对比如下图，主干网络分别使用 (a small Xception like network，Resnet-50，Resnet-101)：

网络架构对比

作者将Light-Head R-CNN 与 Faster R-CNN 和 R-FCN 的架构进行了对比：

• Faster R-CNN

Faster R-CNN 在 ROI Pooling 以后要对每个 ROI 进行计算，也就是 R-CNN subnet，这部分包括两个 fc 层，且第一个 fc 层要全连接上一层的全部channel，使用 ResNet101 作为主干网络时，在上一层有 2048 个channel，这个计算量就很大了，所以说 ROI-wise 部分的计算太重了。

• R-FCN

R-FCN 为了对 ROI-wise subnet 进行加速，就采用了一种全卷积的策略。R-FCN 首先为每个 region 预测一个score maps，通道数是 $classes × p × p$（p是接下来的pooling形状），接着是沿着每个 ROI 做pool，然后 average vote 最后的预测。

采用这种方式，R-CNN subnet 其实是没有计算量的（但是效果上不如有 ROI-wise 的 Faster R-CNN），但是要为ROI pooling生成一个大的score map，　还是挺耗时的。

（图中 $C$ 表示物体检测的类别数， $+1$ 表示背景类。）

• Light-Head R-CNN

Light-Head R-CNN结合了Faster R-CNN和R-FCN的优点：

1. 对 ResNet 卷积层中 conv5 的 2048 通道输出，使用large separable convolution 降低特征图（feature maps）厚度并简化计算量，生成 “薄”的 thin feature map（ $\alpha×p×p$， $\alpha=10$），避免了 R-FCN feature map 太大，且随类别数 $C$ 增加而增大的问题。

2. 在 thin feature map 后面接 ROI Pooling，此时得到的 ROI-wise feature map 也薄，这样后面再接 fc 层，此时的计算量就小了，避免了Faster R-CNN 在 R-CNN subnet 的第一个 fc 层计算量过大的问题。

Light-Head R-CNN 将原来 R-FCN 的 score map 的职责两步化了：thin score map 主攻位置信息，R-CNN子网络中的 fc 主攻分类信息。另外，global average pool 的操作被去掉，用于保持精度。

主干网络 Backbone

在Head小了以后，Light-Head R-CNN就可以在速度和精度之间做权衡，可以选择性地使用大的或者小的backbone网络了。文章中给出了两种设置：

• “ L” 表示使用大的 backbone network，更注重精度。这里用的 L 网络是resnet101。

• “S” 表示使用小的 backbone network，更注重速度。这里用的 S 网络是Xception-like model。

Thin feature maps for RoI warping

使用 large separable convolution，应该是借鉴了 Inception 3 的思想，用 $1×k$ 和 $k×1$ 的两层卷积来代替 $k×k$ 的卷积核，其结构如下：

其中 kernel 大小： $k=15$，很大，所以叫 large conv，这主要是为了保证不丢失太多精度。因为这一层之前的 feature map 有2048 channel，这一层只有 490 channel，这么多channel数的减少要通过 large conv 进行一定的补偿。

另外，separate conv 能够减少计算量， $Cmid=64 (for S) / 256 (for L)$， $Cout=10×p×p$，远小于 R-FCN 的 $classes*p*p$。

RPN

RPN 网络用于生成候选区域（region proposals）。通过 softmax 判断 anchors 属于前景（foreground）或者背景（background），同时利用bounding box regression 修正 anchors 的偏移和缩放，获得精确的proposals。

Light-head R-CNN中使用RPN网络生成候选区域，具体过程如下：

• $3×3$ 卷积以及生成候选框(RoI)：

  在Light-head R-CNN中，使用 Resnet 的 conv4 的输出作为 RPN 的输入特征图，其维度是 $14×14×1024$。对特征图进行 $3×3$ 卷积，并对feature map 进行滑窗操作。

  当前滑窗的中心在原像素空间的映射点称为 anchor，以此 anchor 为中心，可以得到 15 个候选框（proposals）：

  • 使用 5 种面积尺寸（scales），即{ $32^2, 64^2, 128^2, 256^2, 512^2$ }

  • 在每个面积尺寸下，取 3 种不同的纵横比（Aspect Ratios）： { $1:1、1:2、2:1$ }。

• 以3×3卷积核的中心点，作为 anchor 的中心点，通过滑动窗口和 anchor 机制得到图像的多尺度候选框。

• 使用1×1卷积核，基于 anchor 种类数量进行卷积，得到所有 anchors 的foreground softmax scores 和 bounding box regression 偏移量。

• 根据 bounding box regression 偏移量，获取位置修正后的 anchors。

• 按照 foreground softmax scores 由大到小排序 anchors，提取前 6000 个 foreground anchors。

• 限定超出图像边界的 foreground anchors 为图像边界，防止后续 RoI Pooling 时 proposal 超出图像边界

• 剔除非常小（width < threshold or height < threshold）的 foreground anchors。

• 进行非最大抑制（non maximum suppression，NMS），其中 $IOU thresh=0.7$

• 再次按照 NMS 后的 foreground softmax scores 由大到小排序foreground anchors，提取前 1000 个结果作为 proposal 输出。

Light-Head R-CNN 精度提升技巧

为了提升算法精度，作者又加入了其他 trick，分别是：

• 在 PSRoI pooling 中加入RoIAlign ( Mask-RCNN ) 中的插值技术，提升了1.7%.

• 将NMS threshold从 0.3 改成 0.5 之后，提升了0.6%.

• 使用 multi-scale 进行training，提升1%.

Light-Head R-CNN 速度提升技巧

为了平衡精度与速度，作者做了如下一些改变：

• 用 tiny Xception 代替 Resnet-101.

• 弃用 atrous algorithm.

• 将 RPN channel 减少一半到256.

• Large separable convolution： $kernel size = 15, Cmid = 64, Cout = 490（10×7×7）$.

• 采用 PSPooling + RoI-align. 用 alignment 技术做了 RoI warping，它能减少被 pool 的 feature map通道[ $k × k$ 倍，ｋ是 pooling size]，RoI-align能提升结果。

采用上述trick之后，能够在COCO上达到102FPS，同时达到30.7% mmAP的精度：

作者的测试环境：The code is tested on a server with 8 Pascal Titian XP gpu, 188.00 GB memory, and 40 core cpu.