可变形卷积 DeformConv2d

可变性卷积

前言

可变形卷积即DCN(缩写取自Deformable ConvNets)提出于ICCV 2017的paper:
Deformable Convolutional Networks

论文paper地址:https://openaccess.thecvf.com/content_ICCV_2017/papers/Dai_Deformable_Convolutional_Networks_ICCV_2017_paper.pdf

codebase地址:(很多框架中都已实现,这里选择以pytorch的为例)https://github.com/4uiiurz1/pytorch-deform-conv-v2/blob/master/deform_conv_v2.py


3×3标准和可变形卷积的采样位置图示。(a) 标准卷积的规则采样网格(绿点)。(b) 可变形卷积中带有增强偏移量(浅蓝色箭头)的变形采样位置(深蓝色点)。(c)(d)是(b)的特例,表明可变形卷积概括了尺度、(各向异性)长宽比和旋转的各种变换。


为什么要用DConv

卷积单元(卷积核)对输入的特征图在固定的位置进行采样;池化层不断减小着特征图的尺寸;RoI池化层产生空间位置受限的RoI。然而,这样做会产生一些问题,比如,卷积核权重的固定导致同一CNN在处理一张图的不同位置区域的时候感受野尺寸都相同,这对于编码位置信息的深层卷积神经网络是不合理的。因为不同的位置可能对应有不同尺度或者不同形变的物体,这些层需要能够自动调整尺度或者感受野的方法。再比如,目标检测的效果很大程度上依赖于基于特征提取的边界框,这并不是最优的方法,尤其是对于非网格状的物体而言。


普通卷积和与可变形卷积计算过程

普通卷积计算过程

这里dilation:controls the spacing between the kernel points;

stride 相似,实际含义为:每个点之间有空隙的过滤器,即为dilation 。例如,在一个维度上,一个大小为 3 3 3的过滤器 w w w会对输入的x进行如下计算: w 0 ∗ x 0 + w 1 ∗ x 1 + w 2 ∗ x 2 w0 * x0 + w1 * x1 + w2 * x2 w0∗x0+w1∗x1+w2∗x2 。若 d i l a t i o n = 1 dilation = 1 dilation=1,过滤器会计算: w 0 ∗ x 0 + w 1 ∗ x 2 + w 2 ∗ x 4 w0 * x0 + w1 * x2 + w2 * x4 w0∗x0+w1∗x2+w2∗x4;换句话说,在不同点之间有一个1的差距。(Pytoch中 d i l a t i o n dilation dilation默认等于 1 1 1,但是实际为不膨胀,也就是说设置 d i l a t i o n = 2 dilation = 2 dilation=2时才会真正进行膨胀操作)

下面动画的 d i l a t i o n = 2 dilation = 2 dilation=2 的卷积操作

Pytorch官方API

python 复制代码
torch.nn.Conv2d(in_channels, 
                out_channels, 
                kernel_size, 
                stride=1, 
                padding=0, 
                dilation=1, 
                groups=1, 
                bias=True, 
                padding_mode='zeros')
  • in_channels参数代表输入特征矩阵的深度即channel,比如输入一张RGB彩色图像,那in_channels = 3;
  • out_channels参数代表卷积核的个数,使用n个卷积核输出的特征矩阵深度即channel就是n;
  • kernel_size参数代表卷积核的尺寸,输入可以是int类型如3 代表卷积核的height = width = 3,也可以是tuple类型如(3, 5)代表卷积核的height = 3,width = 5;
  • stride参数代表卷积核的步距默认为1,和kernel_size一样输入可以是int类型,也可以是tuple类型,这里注意,若为tuple类型即第一个int用于高度尺寸,第二个int用于宽度尺寸;
  • padding参数代表在输入特征矩阵四周补零的情况默认为0,同样输入可以为int型如1代表上下方向各补一行0元素,左右方向各补一列0像素(即补一圈0),如果输入为tuple型如(2, 1) 代表在上方补两行下方补两行,左边补一列,右边补一列。可见下图,padding0是在H高度方向两侧填充的,padding1是在W宽度方向两侧填充的;

    使用方法可见官方文档:https://pytorch.org/docs/stable/generated/torch.nn.Conv2d.html#

可变形卷积计算过程



∇ P n \nabla P_n ∇Pn是由普通卷积计算得到的,这里的 o u t _ c h a n n e l = 2 ∗ k e r n e l _ s i z e 2 out\_channel =2*kernel\_size^2 out_channel=2∗kernel_size2,变换生成kernel_size*kernel_size 大小的 ∇ R \nabla R ∇R表。

使用双向线性插值方法确定最后的位置,后计算value。

可变卷积形pytorch API 地址
https://pytorch.org/vision/main/generated/torchvision.ops.deform_conv2d.html#torchvision.ops.deform_conv2d

参考资源

1.https://blog.csdn.net/jiangqixing0728/article/details/126269423

2.https://www.bilibili.com/video/BV1Sh4y1y75i/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=17d3748d0773a2015a74ab52544dd499

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