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EfficientDet: Scalable and Efficient Object Detection

Google Brain 团队的三位 Auto ML 大佬 Mingxing Tan, Ruoming Pang, Quoc V. Le 在 CVPR 2020 发表一篇文章 EfficientDet: Scalable and Efficient Object Detection，代码已经开源到了 Github。

这篇工作可以看做是中了 ICML 2019 Oral 的 EfficientNet: Rethinking Model Scaling for Convolutional Neural Networks 扩展，从分类任务扩展到检测任务（Object Detection）。

众所周知，神经网络的速度和精度之间存在权衡，而 EfficientDet 是一个总称，可以分为 EfficientDet D1 ~ EfficientDet D7，速度逐渐变慢，但是精度也逐渐提高。

从下图中可以看出，EfficientDet-D7 的性能非常的惊人：在 326B FLOPS，参数量 52 M的情况下，COCO 2017 validation 数据集上取得了 51.0 的 mAP，state-of-the-art 的结果。和 AmoebaNet + NAS-FPN 相比，FLOPS 仅为其十分之一的情况下取得了更好的结果。

这篇文章的主要贡献点是 BiFPN，Compound Scaling 两部分，会在下面一一介绍。

BiFPN

CVPR 2017 的 FPN 指出了不同层之间特征融合的重要性，并且以一种比较简单，Heuristic 的方法把底层的特征乘两倍和浅层相加来融合。之后人们也试了各种别的融合方法，比如 PANet 先从底向上连，再自顶向下连回去；M2Det 在连的时候加入 skip-connection；Libra-RCNN 先把所有feature 都汇聚到中间层，然后再 refine。

总之上述都是一些人工连连看的设计，包含 Conv，Sum，Concatenate，Resize，Skip Connection 等候选操作。很明显使用哪些操作、操作之间的顺序是可以用 NAS 搜的。进入 Auto ML 时代之后，NAS-FPN 珠玉在前，搜到了一个更好的 neck 部分的结构。

本文的作者基于下面的观察结果/假设，进一步进行了优化：

作者观察到 PANet 的效果比 FPN ，NAS-FPN 要好，就是计算量更大；
作者从 PANet 出发，移除掉了只有一个输入的节点。这样做是假设只有一个输入的节点相对不太重要。这样把 PANet 简化，得到了上图 (e) Simplified PANet 的结果；
作者在相同 level 的输入和输出节点之间连了一条边，假设是能融合更多特征，有点 skip-connection 的意味，得到了上图 (f) 的结果；
PANet 只有从底向上连，自顶向下两条路径，作者认为这种连法可以作为一个基础层，重复多次。这样就得到了下图的结果（看中间的 BiFPN Layer 部分）。如何确定重复几次呢，这是一个速度和精度之间的权衡，会在下面的Compound Scaling 部分介绍。

BiFPN 相对 FPN 能涨 4 个点，而且参数量反而是下降的，如下表所示。

Cross-Scale Connections

此外，作者还提出，之前从FPN 开始普遍采用的，一个特征先 Resize ，再和另一层的特征相加的方式不合理。因为这样假设这两层的特征有了相同的权重。从更复杂的建模角度出发，应该每一个 feature 在相加的时候都要乘一个自己的权重。这样 weighted 的方式能涨 0.4，如下表所示：

weigjted 的时候，权重理论上要用 softmax 归一化到和为1，但由于 softmax 的指数运算开销比较大，作者简化为一个快速的方式 (Fast normalized fusion)，其实就是去掉了 softmax 的指数运算，在 GPU 上能快 30%，性能微微掉一点，如下表所示：

总结一下 BiFPN 部分，是在 PANet 的基础上，根据一些主观的假设，做了针对性的化简，得到了参数量更少，效果更好的连接方式。

Compound Scaling

下面介绍的 Compound Scaling 部分，可以说是 Mingxing Tan 大佬的拿手好戏。Model Scaling 指的是人们经常根据资源的限制，对模型进行调整。比如说为了把 backbone 部分 scale up，得到更大的模型，就会考虑把层数加深， Res50 -> Res101这种，或者说比如把输入图的分辨率拉大。

EfficientNet 在 Model Scaling 的时候考虑了网络的 width, depth, and resolution 三要素。而 EfficientDet 进一步扩展，把 EfficientNet 拿来做 backbone，这样从 EfficientNet B0 ~ B6，就可以控制 Backbone 的规模；neck 部分，BiFPN 的 channel 数量、重复的 layer 数量也可以控制；此外还有 head 部分的层数，以及输入图片的分辨率，这些组成了 EfficientDet 的 scaling config 。

从 EfficientDet D0 到 D7 的 “丹方” 如下表所示：

按照这个 “丹方” 可以复现这篇工作，但是这个“丹方”怎么来的作者没有详细说。这里面有非常非常多的超参数，比如 BiFPN 的 channel 数量的增长的公式为

从 EfficientDet D0 到 D7 在 COCO 上的 mAP 结果如下表所示，可以说是吊打其他方法的存在：

结论

这篇 paper 的介绍就告一段落了，个人感觉这篇 paper 虽然性能很好，但是设计的时候基于经验法则、难以解释的参数有很多。