ThunderNet | 轻量级实时检测网络

旷视科技：据我们所知，ThunderNet实现了ARM平台上的第一个实时检测器和最快的单线程速度。

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一：网络整体介绍

ThunderNet的整体架构如下图所示。 ThunderNet使用320×320像素作为网络的输入分辨率。整体的网络结构分为两部分：Backbone部分和Detection部分。网络的骨干部分为SNet，SNet是基于ShuffleNetV2进行修改得到的。 网络的检测部分，利用了压缩的RPN网络，修改自Light-Head R-CNN网络用以提高效率。 并提出Context Enhancement Module整合局部和全局特征增强网络特征表达能力。 并提出Spatial Attention Module空间注意模块，引入来自RPN的前后景信息用以优化特征分布。

二：backbone 部分

1.输入分辨率
为了加快推理（前向操作）速度，作者使用320*320大小的输入图像。需要注意的是，在实践中，我们观察到输入分辨率应该与骨干网络的能力相匹配。 具有大输入的小骨干和具有小输入的大骨干都不是最佳的选择。

2.骨干网络（backbone）
骨干网络需要具有两大特点，第一：大的感受野很重要。第二：浅层特征位置信息丰富，深层特征区分度更大，因此需要兼顾这两种特征。而作者认为主流的轻量级网络违法了上述原则，比如ShuffleNetV1/V2限制了感受野。ShuffleNetV2 和MobileNetV2 缺乏浅层特征，而Xception 在计算预算低下的情况下缺乏深层特征。

主流的轻量级网络详解：
ShuffleNet V1/V2 | 轻量级深层神经网络
MobileNets V1/V2 | 轻量级深层神经网络
SqueezeNext | 轻量级深层神经网络
SqueezeNet | 轻量级深层神经网络

基于上述原因，作者在ShufflenetV2的基准下，结合上述特性对ShufflenetV2进行修改并命名为SNet。如下图所示，作者给出了集中不同形式的SNet网络。

SNet49用于更快的推理，SNet535用于更好的精度，SNet146用于更好的速度/精度权衡。首先，我们用5×5深度可分离卷积替换ShuffleNetV2中的所有3×3深度可分离卷积（来自Mobilenetv1）。在实践中，5×5深度卷积提供与3×3对应物相似的运行速度，同时有效地扩大了感受野。在SNet146和SNet535中，作者删除了Conv5并在浅层特征提取阶段添加了更多通道。此设计可生成更多位置信息，而无需额外的计算成本。在SNet49中，作者将Conv5压缩为512个通道，而不是将其删除，并在浅层特征提取阶段增加通道，以便实现浅层和深层特征间更好的平衡。作者认为删除Conv5，骨干网络就无法提取足够的信息。而且要是保留1024维度的Conv5层，骨干网络就会受到有限的浅层特征的影响。上图显示了主干的整体架构。此外，下文中将Stage3和Stage4的最后输出特征图（SNet49的Conv5）表示为C4和C5。

三：Detection部分

检测部分沿用了Light-Head R-CNN网络的结构，虽然该网络使用轻量级的检测器，但当与上述的SNet这个更轻量级的骨干网络耦合时它仍然太重，并且会引起骨干网络和检测器之间的不平衡。 这种不平衡不仅导致冗余计算，而且增加了过度拟合的风险。上述骨干网络部分中输入分辨率不匹配也会导致类似问题。
为了解决这个问题，作者使用一个5×5的深度可分离卷积（mobilenetv1中）和1×1卷积，替换原始RPN网络中的3×3的卷积。并且在RPN网络中使用的尺度大小为{32×32,64×64,128×128,256×256,512×512}，anchor的长宽比为{1:2,3:4,1:1,4:3,2:1}。其余参数和Light-Head R-CNN中的一致。检测部分主要的创新点是，提出了Context Enhancement Module和Spatial Attention Module这两种策略。

1.Context Enhancement Module
Light-Head R-CNN网络中在骨干网络之后利用GCN:Global Convolutional Network产生更小的特征图，这虽然增加了感受野但却提升了计算复杂度，因此在本文提出的网络中没有使用GCN。然而，感受野小且在没有GCN的情况下网络很难提取到足够的可分辨的特征信息。 为了解决这个问题，本文使用了特征金字塔网络（FPN）。 然而，原始的FPN结构涉及许多额外的卷积和多个检测分支，这增加了计算成本并且引起了巨大的运行时间延迟。因此，基于FPN，本文提出了Context Enhancement Module (CEM)，示意图如下。

CEM的关键思想是聚合多尺度局部信息和全局信息，以生成区分性更强的特征。在CEM中，合并三个尺度的特征图：C4，C5和Cglb(在C5上应用全局平均池化得到Cglb作为全局特征信息)。

• 尺度一：C4特征图上应用1×1卷积以将通道数量压缩为α×p×p = 245
• 尺度二：C5进行上采样 + C5特征图上应用1×1卷积以将通道数量压缩为α×p×p = 245
• 尺度三：Cglb进行Broadcast + Cglb特征图上应用1×1卷积以将通道数量压缩为α×p×p = 245 。

通过利用局部和全局信息，CEM有效地扩大了感受野，并细化了薄特征图的表示能力。与先前的FPN结构相比，CEM仅涉及两个1×1卷积和fc层，这更加计算友好。

2.Spatial Attention Module

在进行RoI操作的时候，我们期望背景区域中的特征不被关注，且前景物体的特征被强烈关注。 然而，由于本文的检测网络利用的是轻量级骨干网络和小分辨率输入图像，因此很难学习到正确的特征分布。出于这个原因，作者设计了一个计算友好的空间注意模块（SAM），以便在RoI扭曲空间维度之前显式地重新加权特征图，引导网络学习到正确的前景背景特征分布。SAM的关键思想是使用来自RPN学习到的知识来细化特征图的特征分布。因为训练RPN网络时，网络就是以前景目标作为监督来训练的。 因此，RPN网络可以用于区分前景特征和背景特征。

SAM有两个输入，分别来自于CEM和RPN，而输出如下公式所示：

这里θ（·）是一个尺寸变换，以匹配两组特征图中的通道数。 sigmoid函数用于约束[0,1]内的值。 最后，通过生成的特征映射对，使得CEM进行重新加权，以获得更好的特征分布。 为了计算效率，我们将1×1卷积应用于θ（·），因此CEM的计算成本可以忽略不计。 如下图所示，显示了SAM的结构。

四：网络效果展示

VOC 2007测试的评估结果。 ThunderNet以更低的计算成本超越竞争模型

COCO test-dev的评估结果。 采用SNet49的ThunderNet实现了MobileNet-SSD级精度，确快将近五倍。 采用SNet146的ThunderNet与轻型one-stage检测网络相比，具有更高的精度。 采用SNet535的ThunderNet可与大型检测网络相媲美，计算成本显着降低。

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