YOLOF：单层特征检测也可以比FPN更出色 | CVPR 2021

 论文通过分析发现FPN的成功在于divide-and-conquer策略解决了目标检测的优化问题，借此研究设计了仅用单层特征预测的高效检测网络YOLOF。YOLOF在结构上没有很多花哨的结构，却在准确率、推理速度和收敛速度上都有不错的提升，相对于眼花缭乱的FPN魔改结构，十分值得学习 来源：晓飞的算法工程笔记 公众号

**论文: You Only Look One-level Feature**

* **论文地址：https://arxiv.org/abs/2103.09460**

* **论文代码：https://github.com/megvii-model/YOLOF**

Introduction

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 在当前的目标检测算法中，特征金字塔是必备的组件，一般通过FPN来实现，主要带来两个收益：1）multi-scale feature fusion：融合高低分辨率特征来取得更好的特征表达；2）divide-and-conquer：不同大小的目标在对应大小的特征图上检测。目前人们普遍认为FPN带来的提升主要得益于multi-scale feature，于是设计了一系列复杂的特征融合结构和方法，完全忽略了divide-and-conquer的作用。

 本篇论文的主要目的就是在one-stage检测算法上验证FPN的两个收益的影响，对这两种收益进行不同的组合，设计了Multiple-in-Multiple-out (MiMo)、Single-inMultiple-out (SiMo)、Multiple-in-Single-out (MiSo)和Single-in-Single-out (SiSo)四种encoder结构，如上图所示。将上述四种结构嵌入到RetinaNet中进行实验对比，其中MiMo就是原版的RetinaNet。比较意外的是，SiMo encoder的性能居然和MiMo encoder相差不到1mAP，而SiSo encoder与MiSo encoder则相差12mAP以上。

 从上面的现象可以得到以下两个结论：

* C5特征有足够的上下文用于检测不同尺寸的目标，使得SiMo encoder依然能有不错的表现。

* multi-scale feature fusion带来的提升远低于divide-and-conquer，所以multi-scale feature fusion可能不是FPN的最重要收益。而divide-and-conquer则与目标检测的优化过程有关，将复杂的检测问题根据目标尺寸分解成多个子问题，加速了优化过程。

 上面的结论表明，FPN的主要作用是解决目标检测的优化问题。虽然divide-and-conquer是很不错的解决方法，但会带来过多的内存消耗，导致检测模型的结构变复杂。既然C5特征已经包含了足够多的上下文信息，那应该可以用更简单的方法来解决优化问题。

 为此，论文提出了YOLOF(You Only Look One-level Feature)，仅使用C5特征进行检测。为了缩小SiSo encoder与MiMo encoder之间的性能差异，论文设计了dilated encoder用于提取不同大小目标的多尺度上下文信息，弥补multiple-level features的缺少，再通过uniform matching来解决预设anchor过于稀疏带来的正样本不平衡问题。

 论文的贡献如下：

* 证明FPN带来的提升主要得益于divide-and-conquer解决了检测问题的优化问题，而非multi-scale feature fusion功能。

* 提出不含FPN的YOLOF模型，包含两个关键模块：Dilated Encoder和Uniform Matching，能够缩小SiSo encoder和MiMo encoder的性能差异。

* 通过COCO数据集上的实验证明YOLOF各模块的重要性，YOLOF不仅准确率比得上RetinaNet、DETR和YOLOv4，速度还更快。

Cost Analysis of MiMo Encoders

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 MiMo encoder使得检测器更复杂，带来更大内存使用，造成检测速度下降。为了弄清楚这一影响，论文基于RetinaNet对MiMo encoder进行了量化分析，将检测过程分解成了上图的3个关键模块。

 多种模式下，各模块的量化结果如上图所示。对比SiSo encoder，MiMo encoder带来了巨大的内存使用(134G vs. 6G)以及造成运行速度大幅下降(13FPS vs. 34 FPS)。速度的下降主要在于高分辨率特征图(如C3)上的目标检测。基于上述MiMo encoder的缺点，论文尝试在保持检测器简单、准确和快速的同时，找到替代的方法来解决优化问题。

Method

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 虽然C5特征包含了足够的上下文信息，但用SiSo encoder替换MiMo encoder并不是简单的事，直接替换会造成大幅性能下降。经过分析，造成性能下降的原因主要有两个：1）limited scale range：C5特征的感受域是固定的，妨碍多尺度目标的检测性能。2）imbalance problem on positive anchors：anchor分布稀疏造成正样本不平衡。

Limited Scale Range

 MiMo或SiMo encoder构造了不同感受域的多层特征(P3-P7)，根据目标尺寸在不同的特征上进行目标检测。而SiSo encoder则只有单层特征，其特征的感受域是固定的，如图a所示，只能覆盖有限的尺寸范围。需要找到一个方法来增加特征的感受域范围，弥补多层特征的缺失。

 先通过堆叠dilated convolutions来增大感受域，覆盖的尺寸范围会偏移到较大尺寸，如图b所示。然后将原本的特征与增大后的特征合并，得到新的能覆盖全部尺寸范围的特征，如图c所示。

* ##### Dilated Encoder

 为了实现上述目的，论文设计了Dilated Encoder，分为Projector和Residual Blocks两部分。Projector结构跟FPN一样，先通过$1\times 1$卷积降低维度，然后通过$3\times 3$卷积来修复上下文信息，此处的卷积后跟BN层。随后堆叠连续4个不同dilation rates的dilated residual blocks，生成包含多种感受域大小的特征，此处的卷积后跟BN层+ReLU层。

* ##### Discussion

 在目标检测中，使用dilated convolution来增大特征感受域是一种常见的做法。TridentNet使用参数共享的dilated convolution来生成多尺寸特征，DetNet则使用dilated convolution来生成分辨率不变而感受域增大的主干特征。而论文使用的dilated convolution的目的则跟上面的都不太一样，主要为了在单层特征上检测所有尺寸的目标。

Imbalance Problem on Positive Anchors

 正样本的定义是优化目标检测问题的关键，目前大多数anchor-based检测器都采用Max-IoU匹配。对于MiMo encoder，先在多个特征层上密集地平铺anchor，根据GT尺寸在对应的层选择正样本。基于divide-and-conquer策略，Max-IoU匹配使得不同大小的GT都能产生足够多的正样本。

 但由于SiSo encoder只有单层特征，anchor数从100k下降到了5k，而且C5下采样率较大，在C5上预设的anchor映射回原图就显得较为“稀疏”。如上图所示，大目标相对于小目标匹配到更多正样本，造成正样本不平衡的问题。不平衡问题使得检测器在训练时会更关注大目标的学习，忽略了小目标。

* ##### Uniform Matching

 为了解决正样本不平衡的问题，论文提出了Uniform Matching策略。该策略直接选择k个最近的anchor作为正样本，保证每个GT都能匹配到相同数量的anchor，在训练中得到平等对待。此外，根据Max-IoU匹配，忽略IoU较大(>0.7)的负样本以及IoU较小(<0.15)的正样本。

* ##### Discussion

 在匹配中选择topk并不是新鲜事，比如ATSS先在每层选择topk anchor作为候选，再根据动态阈值过滤出正样本。但ATSS关注的是自适应区分正负样本，而论文关注的是少anchors下的正样本平衡问题，出发点不一样。

YOLOF

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 基于上述的分析，论文提出简洁的基于单层特征的检测器YOLOF，结果如上图所示，包含以下模块：

* Backbone：采用预训练的ResNet和ResNeXt系列作为主干网络，主干输出为C5特征，特征维度和下采样率分别为2048和32。为了公平比较，BN层默认是冻结的。

* Encoder：采用dilated encoder结构，projector输出维度为512，后续经过连续的dilated residual blocks处理，其中的$1\times 1$卷积下采样率为4。

* Decoder：采用RetinaNet的设计，包含并行的task-specific heads：classification head和regression head。这里做了两个小修改：1）根据DETR的FFN设计修改两个head的卷积数，regression head包含4个卷积+BN+ReLU结构，classification head仅包含2个。2）根据Autoassign，在regression head为每个anchor增加无直接监督的显式objectness预测，最后的分数为分类分数和objectness分数的乘积。

* Other Details：由于YOLOF预设的anchor较稀疏，降低了GT和anchor之间的匹配质量，论文提出随机偏移来回避这个问题。该操作将图片随机向四个方向偏移最多32像素，为目标的位置引入噪声，增大目标匹配到高质量anchor的概率。此外，论文发现，在只有单层特征预测时，限制anchor中心的回归修正在32像素内也对最终的分类有帮助。

Experiment

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 与RetinaNet进行对比。

 与DETR进行对比。

 各组件的对比实验。

Conclusion

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 论文通过分析发现FPN的成功在于divide-and-conquer策略解决了目标检测的优化问题，借此研究设计了仅用单层特征预测的高效检测网络YOLOF。YOLOF在结构上没有很多花哨的结构，却在准确率、推理速度和收敛速度上都有不错的提升，相对于眼花缭乱的FPN魔改结构，十分值得学习。

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