文章目錄

• 摘要
• 1、介紹
• 2、相關工作
• 3、BiFPN
• • 3.1、提出問題
  • 3.2、多尺度連接
  • 3.3、加權特征融合
• 4、EfficientDet
• • 4.1、EfficientDet架構
  • 4.2、復合縮放
• 5、實驗部分
• • 5.1、用于對象檢測的EfficientDet
  • 5.2、語義分割
• 6、消融研究（Ablation Study）
• • 6.1、Disentangling Backbone and BiFPN（解開主干和BiFPN)
  • 6.2、BiFPN跨尺度連接
  • 6.3、SoftMax與快速歸一化融合
  • 6.4、復合縮放

摘要

本文主要研究如何提高模型的效率，并提出了EfficientDet新的目標檢測器。

首先，我們提出了一種 weighted bi-directional feature pyramid network (加權雙向特征金字塔網絡——BiFPN)，它可以方便、快速地進行多尺度特征融合；
其次，我們提出了一種 compound scaling method（復合縮放方法），可以同時對所有主干、特征網絡和盒/類預測網絡的分辨率、深度和寬度進行統一縮放。

其中EfficientDet-D7采用單模和單標度，在COCO test-dev上達到了55.1 AP，具有77M參數和410B FLOPs（FLOPs表示乘加次數），比以前的探測器小4倍-9倍，使用的觸發器少13倍-42倍。

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1、介紹

上面兩張圖展示的是模型計算量和COCO上的準確率關系圖

我們確定了兩個主要挑戰：

高效的多尺度特征融合——不同的輸入特征具有不同的分辨率，他們對融合輸出特征的貢獻通常是不相等的。針對此問題，我們提出weighted bi-directional feature pyramid network (加權雙向特征金字塔網絡——BiFPN)。該方法引入可學習的權值來學習不同輸入特征的重要性，同時反復應用自上而下和自下而上的多尺度特征融合。

模型縮放——在以前想要獲得更高的精度主要依靠更大的骨干網絡或者更大的輸入圖像大小，現在我們發現在兼顧精度和效率的情況下，放大特征網絡和盒/類預測網絡也是至關重要的。因此我們提出一種用于目標檢測器的復合縮放方法，它可以聯合放大所有主干、特征網絡、盒/類預測網絡的分辨率/深度/寬度。

我們將提出的兩個方法與EfficientNets網絡相結合，命名為EfficientDet。它可以以更少的參數和FLOPs(觸發器)來獲得更好的精度。

2、相關工作

• One-Stage Detectors——單階段檢測器
• Multi-Scale Feature Representations——多尺度特征表示
• Model Scaling——模型縮放

3、BiFPN

3.1、提出問題

多尺度特征融合旨在聚合不同分辨率的特征。
有多尺度特征列表：$P^{in}=(P_{l_1}^{in},P_{l_2}^{in},...)$，其中 $P_{l_i}^{in}$ 表示第 $l_i$ 層的特征。
我們的目標是能夠找到一個可以有效的聚合不同特征的函數$f$，并能夠輸出一個新的特征列表：$P^{out}=f(P^{in})$。

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上面Figure2中的（a）是傳統的自上向下的FPN網絡。它需要第三到七層的輸入特征$P^{in}=(P_3^{in},...,P_7^{in})$，其中$P_i^{in}$代表分辨率為輸入圖像分辨率的$1/2^i$的特征層。舉個例子，如果輸入分辨率是$640?640$，那么$P_3^{in}$就是分辨率為$80?80$（$640/2^3$）的特征層3，那么$P_7^{in}$就是分辨率為$5?5$的特征層7，常規FPN以自頂向下的方式聚合多尺度特征：
$$\begin{gathered} P_7^{out}=Conv(P_7^{in}) \\ {P}_6^{out}=Conv(P_6^{in}+Resize(P_7^{out})) \\ ... \\ {P}_3^{out}=Conv(P_3^{in}+Resize(P_4^{out})) \end{gathered}$$
其中$Resize$通常是用于分辨率匹配的上采樣或下采樣操作，而Conv通常是用于特征處理的卷積操作。

3.2、多尺度連接

傳統的自上而下的FPN限制在單向信息流。為了解決這個問題，PANet添加了一個自下而上的路徑聚合網絡，如上圖（b）。

NAS-FPN 使用神經架構搜索來搜索更好的跨尺度特征網絡拓撲，但是在搜索過程中需要數千個GPU小時，并且發現的網絡不規則且難以解釋或修改，如上圖（c）所示。

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上圖顯示出，PANet的精度比FPN和NAS-FPN更好，但是需要更多的參數和計算。

針對此問題，對跨尺度連接提出了幾點優化方案：

首先，我們刪除那些只有一個輸入邊的節點。理由就是，如果一個節點只有一個輸入邊且沒有特征融合，那么它將對旨在融合不同特征的特征網絡貢獻較小。

其次，如果原始輸入與輸出節點處于同一級別，則在原始輸入和輸出節點之間增加一條額外的邊，以在不增加成本的情況下融合更多特征。

與PANet 僅具有一個自上而下和一個自下而上的路徑不同，我們將每個雙向（自上而下和自下而上）路徑視為一個特征網絡層，并重復相同的層多次，以獲得高水平的特征融合。4.2節將介紹如何使用復合縮放方法確定不同資源約束的層數。

3.3、加權特征融合

當融合具有不同分辨率的特征時，一種常見的方法是先將它們的大小調整為相同的分辨率，然后再對其求和。以前的方法對輸入特征同等對待，沒有設置每個特征的權重，由于不同的輸入特性具有不同的分辨率，它們對輸出特性的貢獻通常是不相等的。現在我們根據每個輸入特征的貢獻大小設置不同的權重，并讓網絡學習自動調整權重?；诖怂枷?#xff0c;我們考慮了三種加權融合方法：

無限融合。$O={\sum }_i{w}_i?I_i$，其中$w_i$是可學習的權重，可以是標量（每個特征），矢量（每個通道）或多維張量（每個像素）。a scale(尺度) 可以在最小的計算成本下達到與其他方法相當的精度。然而，由于the scalar weight(標量權重) 是無界的，可能會導致訓練不穩定，我們采用權重歸一化的方法來限制權重值的范圍。

基于Softmax的融合。$O={\sum }_i\frac{e^{w_i}}{{\sum }_j{e}^{w_j}}?I_i$，直觀的方法是將Softmax應用于每個權重，這樣所有的權重都被歸一化為一個概率值，范圍從0到1，代表每個輸入的重要性。但是，額外的softmax會導致GPU硬件顯著減慢。為了最小化額外的等待時間成本，我們進一步提出了一種快速融合方法。

快速歸一化融合。$O={\sum }_i\frac{w_i}{?+{\sum }_j{w}_j}?I_i$，其中$w_i\ge 0$是通過在每個$w_i$之后應用Relu來確定的，$?=0.0001$之所以這么小是因為要避免數值不穩定，每個歸一化權重的值也都介于0和1之間，但是因為這里沒有Softmax操作，所以效率要高得多。

最終的BiFPN集成了雙向跨尺度連接和快速歸一化融合。

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在這里我們描述上圖（d）所示的BiFPN在6級的兩個融合特征：
$$\begin{gathered} P_6^{td}=Conv(\frac{w_1?P_6^{in}+w_2?Resize(P_7^{in})}{w_1+w_2+?}) \\ {P}_6^{out}=Conv(\frac{w_1^{\prime }?P_6^{in}+w_2^{\prime }?P_6^{td}+w_3^{\prime }?Resize(P_5^{out})}{w_1^{\prime }+w_2^{\prime }+w_3^{\prime }+?}) \end{gathered}$$
其中$P_6^{td}$是自上而下路徑上第6層的中間特征，$P_6^{out}$是自下而上路徑上第6層的輸出特征。所有其他特征均以類似方式構造。我們使用depthwise separable convolution（深度可分離卷積） 進行特征融合，并在每次卷積后添加批量歸一化和激活。

4、EfficientDet

4.1、EfficientDet架構

上圖是EfficientDet的總體架構。

• 采用ImageNet預訓練的EfficientNets作為骨干網絡。
• BiFPN用作特征網絡。它從骨干網中獲取3-7層特征{$P3，P4，P5，P6，P7$}，并反復應用自上而下和自下而上的雙向特征融合。這些融合的特征被送到類和盒網絡，分別生成對象類和邊界盒預測。類和盒網絡權重在所有級別的功能之間共享。

4.2、復合縮放

我們提出了一種新的復合尺度目標檢測方法，該方法使用一個簡單的復合系數$?$ 來聯合放大主干、BiFPN、類/盒網絡和分辨率的所有維度。

• 骨干網——我們重用了EfficientNet-B0到B6 相同的寬度/深度縮放系數，因此我們可以輕松地重用ImageNet預訓練的檢查點。
• BiFPN 網絡——我們線性增加BiFPN深度 $Dbifpn$（#layers），因為深度需要四舍五入為小整數。對于BiFPN的寬度 $Wbifpn$(#channels)，指數級增長的BiFPN的寬度 $Wbifpn$(#channels)和Efficientnet: Rethinking
  model scaling for convolutional neural networks很類似。具體來說，我們對值列表{1.2、1.25、1.3、1.35、1.4、1.45}執行網格搜索，并選擇最佳值1.35作為BiFPN寬度縮放比例。BiFPN的寬度和深度通過以下公式縮放：
  $$W_{bifpn}=64?(1.35^{?}),D_{bifpn}=3+?(1)$$
• 盒/類預測網絡——寬度設置為與BiFPN相同（即$W_{pred}=W_{bifpn}$）；深度（#layers）使用等式線性增加$$D_{box}=D_{class}=3+??/3?(2)$$。
• 輸入圖像分辨率——由于BiFPN使用了3-7層的特征，輸入分辨率必須可被$2^7=128$整除，因此，用方程式線性增加分辨率：$$R_{input}=512+??128(3)$$
  
  如上表所示，按照具有不同$?$的方程(1),(2),(3)，我們開發了EfficientDet-D0（$?$=0）至D7（$?$=7），其中D7和D7x具有相同的BiFPN和頭部，但D7使用更高的分辨率，而D7x使用更大的骨干網和多了一個特征層（從P3到P8）。

5、實驗部分

5.1、用于對象檢測的EfficientDet

• 在COCO 2017檢測數據集使用118K訓練圖像評估EfficientDet。
• 使用動量值為0.9（momentum 0.9）和權重衰減為4e-5（weight decay 4e-5）的SGD優化器訓練每個模型。
• 在第一個訓練時期，學習率從0線性增加到0.16，然后使用余弦衰減規則進行退火。
• 在每次卷積之后添加同步批量范數（Synchronized batch norm），其中批量范數衰減為0.99（batch norm decay 0.99），epsilon 為1e-3。
• 使用SiLU(Swish-1)激活函數；衰退率為0.9998的指數移動平均數（exponential moving average with
  decay 0.9998）。
• 采用了常用的焦損（focal loss）：$\alpha =0.25，\gamma =1.5$，寬高比為{1/2，1，2}
• 在訓練過程中，我們應用水平翻轉（horizontal flipping）和縮放抖動（scale jittering）[0.1，2.0]，在裁剪之前將圖像隨機調整為原始大小的0.1x到2.0x。
• 采用soft-NMS進行評估。
• 對于D0-D6，每個模型在32個TPUv3核上訓練300個時期，總批次大小為128個，但為了突破極限，我們在128個TPUv3核上訓練600個時期的D7/D7x。

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在沒有測試時間增加的單一模型、單尺度設置下，上表比較了EfficientDet與其他對象檢測器。
我們報告了test-dev(20K測試圖像，沒有ground-truth)和VAL(5K驗證圖像)的準確性。

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上圖說明了模型大小和GPU/CPU延遲的比較。為了進行公平比較，這些數字僅包括在同一臺機器上使用相同設置測量的結果。

5.2、語義分割

6、消融研究（Ablation Study）

6.1、Disentangling Backbone and BiFPN（解開主干和BiFPN)

從帶有ResNet-50的主干和自上而下的FPN的RetinaNet探測器[24]開始，我們首先用EfficientNetB3代替主干，它以稍少的參數和觸發器將準確度提高了約3AP。通過用我們提出的BiFPN進一步取代FPN，我們可以用更少的參數和觸發器獲得額外的4AP增益。

6.2、BiFPN跨尺度連接

表5顯示了圖2中列出的具有不同跨范圍連接的功能網絡的準確性和模型復雜性。注意，原始的FPN和PANET只有一個自上而下或自下而上的流，我們在這里多次重復它們，并用與BiFPN相同的縱向可分離的對流替換所有對流。

從上可以看出，傳統的自上而下FPN受單向信息流的限制，精度最低。復FPN+PANET實現的精度略高于NASFPN，但它也需要更多的參數和觸發器。我們的BiFPN實現了與重復FPN+PANET類似的精度，但使用的參數和FLOP要少得多。通過額外的加權特征融合，我們的BiFPN以更少的參數和觸發器進一步獲得了最好的準確率。

6.3、SoftMax與快速歸一化融合

上表比較了三種不同型號探測器中的Softmax和快速歸一化融合方法。結果表明，我們的快速歸一化融合方法達到了與基于Softmax的融合方法相似的精度，但在GPU上的運行速度要快1.26倍-1.31倍。

為了進一步了解基于Softmax的快速歸一化融合的行為，上圖說明了從EfficientDet-D3中的BiFPN層中隨機選擇的三個特征融合節點的學習權重。注意：歸一化權重（基于softmax融合的$e^{w_i}/{\sum }_j{e}^{w_i}$以及用于快速歸一化融合的$w_i/(?+{\sum }_j{w}_j)$）的總和總是為1。歸一化權值在訓練過程中變化很快，這表明不同的特征對特征融合的貢獻是不相等的。盡管變化很快，但對于所有三個節點，我們的快速歸一化融合方法總是表現出與基于Softmax的融合非常相似的學習行為。

6.4、復合縮放

總結

以上是生活随笔為你收集整理的EfficientDet:可扩展的高效目标检测的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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