两阶段实时检测网络ThunderNet¶

ThunderNet是旷视和国防科技大学合作提出的目标检测模型，目标是在计算力受限的平台进行实时目标检测。需要关注的地方主要就是提出的两个特征增强模块CEM和SAM,其设计理念和应用的方法都非常值得借鉴。

1. 介绍¶

在移动端的实时目标检测是一个极为重要并且有挑战性的视觉问题。很多基于CNN的检测器都有巨大的计算量，所以在计算受限的场景下难以进行实时推理。论文提出了一个轻量级的两阶段的检测方法-ThunderNet。

在backbone部分，分析了以往的轻量级backbone的不足并提出了一个专门用于目标检测的轻量级基础网络-SNet。
在detection部分，提出一个有效的RPN和检测头。其中涉及到两个特征增强模块：
- Context Enhancement Module(CEM) 用于整合局部和全局特征。
- Spatial Attention Module(SAM)引入RPN前后背景信息用以优化特征分布。
对目标输入分辨率、Backbone、检测头三个部分进行了平衡。

最终ThunderNet可以在ARM设备上达到24.1fps的速度，精度和速度上超过了很多一阶段检测器。

2. 细节¶

首先可以看一下在COCO数据集上轻量级目标检测网络的对比，可以看出来其效率和准确率都超过了Pelee，SSD等一阶段的检测器。

2.1 backbone¶

ThunderNet的Backbone是基于ShuffleNetv2改进得到的SNet。由于输入的分辨率应该和backbone的容量相匹配，图片的输入分辨率调整为320x320，这极大的降低了模型的计算量。

SNet

SNet与ShuffleNetV2区别在于SNet将ShuffleNet中所有的3x3的可分离卷积替换为5x5的可分离卷积。下图是shuffleNetv2中的网络结构：

ShuffleNetV2

Backbone选取考虑到以下几个因素：

迁移学习： 目标检测需要的backbone一般都是在ImageNet上与训练得到的，但是目标检测的backbone和分类器所需要提取的特征是不一致的，简单地将分类模型迁移学习到目标检测中不是最佳选择。
感受野： CNN中感受野是非常重要的参数，CNN只能获取到感受野以内的信息，所以更大的感受野通常可以获取更多地语义信息，可以更好地编码长距离关系。
浅层和深层的特征： 浅层的feature map分辨率比较大，获取到的是描述空间细节的底层特征。深层的feature map分辨率比较小，但是保存的是更具有鉴别性的高级语义特征。

通常来讲，对于比较大的backbone来说，定位要比分类难得多，这样就证明了浅层特征对于定位的重要性。但是对于非常小的backbone来说，其特征表达能力比较差，这样就限制了准确率的特征。所以深层和浅层的特征都非常重要。

作者考虑到以上三个因素，并分析了先前轻量级backbone的缺点：

ShuffleNetV1的感受野只有121个像素，ShuffleNetv2的感受野只有320个像素，感受野比较小。
ShuffleNetv2和MobileNetv2都缺少浅层的特征。
Xception由于对计算量的限制导致高级语义信息不足。

所以在设计SNet的时候，着重考虑以上的因素，并提出了三个模型：SNet49（speed）、SNet146(trade off)、SNet535(accuracy)。主要改进点如下：

将ShuffleNetv2中的所有3x3的深度可分离卷积替换为5x5的深度可分离卷积，两者实际运行速度相差不多，但是有效扩大了有效感受野（参考之前文章目标检测和感受野的总结和思考）
SNet146和SNet535中去掉了Conv5，并且加宽了浅层网络，进而生成更多的底层特征。
SNet49将Conv5中的通道个数改为512，也加宽了浅层网络。通过这样操作是为了平衡浅层网络和深层网络。

2.2 Detection¶

在以往的两阶段检测器中，RPN和Detection 头都太重了，为了和轻量级的网络进行配合以及降低计算量，ThunderNet沿用了Light-Head R-CNN中的大部分设置，并针对计算量比较大的部分进行改动：

将RPN中原有256维的3x3卷积替换为5x5的dwconv+1x1conv
设置五个scale{32,64,128,256,512}和5个比例{1:2,3:4,1:1,4:3,2:1}
提出PSRoI align来取代RoI warping, 减少RoI个数等

还有很多细节部分的调整，大部分细节都和Light-Head R-CNN是一致的。

接下来就是两个重要的模块,CEM和SAM:

CEM

在Light-Head R-CNN中，使用了Global Convolutional Network来增大模型的感受野，但也带来了极大的计算量。为了解决这个问题，ThunderNet中提出了CEM来增大感受野，融合多尺度局部信息和全局信息来获取更有鉴别性的特征。

上图是CEM层的结构，其中C4来自backbone的Stage3，C5来自backbone的Stage4。具体操作过程上图很明显，构造了一个多尺度的特征金字塔，然后三个层相加，完成特征的优化。

接触过SENet的读者可能对这个结构有点熟悉，使用Global Avg pool以后实际上得到了一个通道的Attention,只不过SENet是相乘，而这里直接相加。总体来说这个模块构造的很好，以比较小的计算代价扩大了感受野，提供了多尺度特征。同时也有一些地方需要商量，比如是SENet中的乘法更适合呢？还是直接相加更适合？

SAM

SAM实际上就是利用RPN得到的feature map,然后用一个Attention机制对特征进行优化，具体实现方式见下图：

这个部分设计实际上是比较好的结合了两阶段模型的RPN网络。RPN网络是用来提出proposal的，在RPN中，我们期望背景区域特征不被关注，而更多地关注前景物体特征。RPN有较强的判别前景和背景的能力，所以这里的就用RPN的特征来指导原有特征，实际上是一个Spatial Attention，通过1x1卷积、BN、Sigmoid得到加权的特征图，引导网络学习到正确的前景背景特征分布。

这个模块也是非常精妙的结合了RPN以及空间Attention机制，非常insight，有效地对轻量级网络特征进行了优化,弥补了轻量网络特征比较弱的缺点。

3. 实验¶

上表是在VOC2007数据集上的结果，可以看出，ThunderNet在比较好地做到了精度和计算量的权衡，并且证明了两阶段网络也有超越一阶段网络的潜力。

上表是在COCO数据集上的结果，可以看出效果依然非常出众。SNet49的ThunderNet在与MobileNet-SSD相近的精度下，速度快了5倍；SNet146的ThunderNet与one-stage相比，有更高的精度；SNet535的ThunderNet精度在和大型的一阶段网络（SSD,DSSD）一致的情况下，计算量显著降低。

4. 思考¶

ThunderNet作者非常善于思考，在将两阶段检测器进行轻量化设计的这个问题上有独特的想法，很多改进的点都是来自感受野的分析。主要提出了两个重要的模块：CEM 和SAM

CEM总的来说是融合了一个小型的FPN+通道注意力机制，以非常少的计算代价提高了模型的感受野，优化了backbone的特征。

SAM总的来说是用RPN的特征加强原有特征，本质上是一种空间注意力机制，这种方法或许可以扩展到所有的多阶段检测器中。

而SNet对ShuffleNetV2的改进也在消融实验中得到证明，所以或许其他轻量级网络也可以借鉴用5x5dwconv替换掉3x3conv的思路。

ThunderNet成功超越了很多一阶段的方法，也让我们改变了传统两阶段网络计算量大但精度高的印象。虽然很多论文中都用到了空间注意力机制和通道注意力机制，ThunderNet中通过自己独到的想法，比较完美地融合了这两个部分，有理有据，非常有力。

以上是笔者关于ThunderNet的解读和个人的思考，能力有限，如果有不同的看法，欢迎来交流。

5. 参考¶

https://arxiv.org/pdf/1903.11752.pdf

https://github.com/ouyanghuiyu/Thundernet_Pytorch

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