YOLO解读

目录

• 1. 检测算法
  • 1.1 传统检测算法
  • 1.2 Two-stage检测算法
  • 1. 3 One-Stage检测算法
• 2. YOLO v1
  • 2.1 核心思想
  • 2.2 损失函数
    • 2.2.1 bbx坐标预测的损失
    • 2.2.2 bbx置信度预测的损失
    • 2.2.3 grid cell 类别预测的损失
  • 2.3 总结
• 3. YOLO v2
  • 3.1 Batch Normalization
  • 3.2 hi-res classifier
  • 3.3 Anchor
    • 3.3.1 anchor boxes
    • 3.3.2 dimension priors
    • 3.3.3 location prediction
  • 3.4 passthrough(Fine-grained feature)
  • 3.5 multi-scale
• 4. YOLO v3
  • 4.1 Backbone
  • 4.2 Output
• 5. YOLO v4
• 6. 总结
• Reference

1. 检测算法

1.1 传统检测算法

传统的检测算法的步骤如上图所示:

• 给定输入,获取候选框(regiion proposal);
• 手动提取候选框的特征;
• 利用传统的机器学习算法(SVM, NN)对候选框进行分类,得到最终的结果;

传统检测算法的缺点是分阶段进行,且在每个阶段中都可能存在误差,且误差存在叠加的可能;

1.2 Two-stage检测算法

Two-Stage的检测算法如下图所示,会隐式地生成一些region proposal,并借助CNN完成目标检测

1. 3 One-Stage检测算法

One-Stage检测算法的思想,可以用下图简单的描述,就是给定输入,经过CNN一系列计算后,直接得到我们想要的输出;

那么,相比于Two-stage检测算法, one-stage有:

• 继承了Two-stage算法端到端的思想
• 去掉生成region proposal的冗余步骤

那么,如何保证算法的效果呢?

2. YOLO v1

YOLO的优势:

• 特别快(18 faster rcnn [ZF] vs 45 yolo)
• 逐渐流行标准化(62.1 mAP vs 63.4)

2.1 核心思想

首先,对输入图像进行划分成\(S\times S\)个格子(grid cell),如果物体(object)的中心落在某个cell中,则该cell就负责预测这个物体;

每一个grid cell负责预测B个bounding box, 对于每一个bbx,有:

• bbx的位置信息: x, y, w, h;
• bbx的置信度:

\[P_r(object) \cdot IoU_{pred}^{truth} \]

其中,如果bbx中存在object,则\(P_r(object) = 1\), 否则为0;

其中,\(IoU_{pred}^{truth}\)表示,bbx与真实物体框的IoU;

另外,每个grid cell也预测C个类别的条件概率, 表示每一个grid cell属于C个类别的概率;

所以,网络最终的输出维度为:

\[S \times S \times (5 \times B + C) = 7 \times 7 \times (5 \times 2 + 20) = 7\times 7 \times 30 \]

2.2 损失函数

如下图所示,为YOLO算法核心的损失函数,主要包含三个部分的损失:

• bbx坐标预测的损失;
• bbx置信度预测的损失;
• grid cell类别预测的损失;

2.2.1 bbx坐标预测的损失

坐标预测的损失函数部分为(上图有点问题):

\[\lambda_{coord}\sum_{i = 0}^{S^2}\sum_{j = 0}^{B} 1_{ij}^{obj}[(x_i - \hat{x_i})^2+ (y_i - \hat{y_i})^2] \\ + \lambda_{coord}\sum_{i = 0}^{S^2}\sum_{j = 0}^{B} 1_{ij}^{obj}[(\sqrt{w_i} - \sqrt{\hat{w_i}})^2+ (\sqrt{y_i} - \sqrt{\hat{y_i}})^2] \]

其中,

• \(i \in (0, S^2)\)表示共有\(S^2\)个grid cell, \(j \in (0, B)\)表示每个grid cell包含有\(B\)个bbx;

• \(1_{ij}^{obj}\)表示第\(i\)个grid cell中的第\(j\)个bbx中,是否负责预测这个物体, 判断是否预测的依据在于B个中的某一个bbx与真实物体Ground Truth的IoU最大; 如果,bbx负责对该物体的预测, 则值为1, 否则为0;;

• 对于坐标\(x, y\)预测的损失,采用均方误差;(基于均方误差最小化来进行模型求解的方法称为"最小二乘法")

• 对于坐标\(w, h\)预测的损失,也是采用均方误差;但是重要的是对值取开方(原因下面会解释);

• \(\lambda_{coord}\)表示对坐标损失函数权重，该权重大一些，是因为图像中包含物体的cell比较少一些;

在计算坐标\(w, h\)损失取开方的解释如下:

取开方后,对于大的bbx与小的bbx,在相同大小差异条件下,损失差别不大;

2.2.2 bbx置信度预测的损失

bbx预测的置信度损失如下:

\[+\sum_{i = 0}^{S^2}\sum_{j = 0}^{B} 1_{ij}^{obj} (C_i - \hat{C_i})^2 \\ + \lambda_{noobj}\sum_{i = 0}^{S^2}\sum_{j = 0}^{B} 1_{ij}^{noobj} (C_i - \hat{C_i})^2 \]

对于bbx置信度损失的计算分成两个部分,一部分是某些负责对Object预测的bbx的置信度损失,另一部分是剩下的bbx的置信度损失;

• \(1_{ij}^{obj}\)表示负责预测object的bbx，\(1_{ij}^{noobj}\)表示不负责预测object的bbx;
• \(\lambda_{noobj}=0.5\)表示基于较小的权重,因为这样的bbx很多;
• 另外,bbx置信度的损失也采用均方误差的形式;

2.2.3 grid cell 类别预测的损失

对于每一个grid cell中,类别预测的损失如下:

\[\sum_{i = 0}^{S^2} 1_{ij}^{obj} \sum_{c \in classes}(p_i(c) - \hat{p_i}(c))^2 \]

• 类别损失只针对grid cell,且只计算负责预测object的bbx的损失;
• grid cell类别损失的计算也采用均方误差的形式;

2.3 总结

优点:

1. 速度更快;
2. 站在全局的角度进行预测,网络的输入是整张图片,更小的背景误差;
3. 能够学习到泛化能力更强的特征;

缺点:

1. 对密集的小物体检测效果不好；假如多个物体的中心落在同一个grid cell中；
2. 难以泛化到新的不常见的长宽比物体; 利用anchor解决
3. 损失函数同等对待小的bbx和大的bbx;
4. 准确率无法达到state-of-art的水平;

3. YOLO v2

YOLO v2是在YOLO v1的基础上增加了一系列的设定，如下图所示：

3.1 Batch Normalization

加入BN层，移除Dropout，用于模型正则化，正常操作；

3.2 hi-res classifier

引入更高精度的分类器(classifier)；

• 使用小的size在ImageNet上做预训练：\(224 \times 224\)
• 用大的size继续finetune：\(448 \times 448\)
• 在customized的数据集上finetune；
• 最终获得\(13 \times 13\)的feature map；

3.3 Anchor

3.3.1 anchor boxes

• Anchor是预设好的虚拟边框；
• 最终的生成框由Anchor回归而来；

（为什么最终的预测框由Anchor回归而来呢？将每一个grid cell都设置一些anchor，那么由这些anchor向真实框进行回归，肯定比初始化预测框向真实框回归简单，因此，由anchor得到预测框；）

因此，网络的输出为：

\[S \times S\times K (5+ C) = 13\times 13\times 5 \times (5+20) \]

（Anchor如何起到的作用，下文会描述；）

3.3.2 dimension priors

在Faster R-CNN中，Anchor的选择是根据经验选择的，在训练的过程中会调整Anchor Box的尺寸；

那么，如果一开始就选择了一个更好的、更有代表性的先验Anchor Box，网络就更加容易学到准确的位置；

如何选择呢？

YOLO v2采用K-means聚类的方式训练数据集中的Ground Truth Box，用于得到Anchor Box的维度；

而一般k-means算法采用的是均方误差用于距离度量，这样会导致大的Box会产生更多的误差，聚类结果会产生偏离，因此使用IoU值作为距离度量函数；

3.3.3 location prediction

在YOLO v2中，没有直接对Bounding boxes求回归（即直接得到box的中心位置和长宽），其中心点可能会在图像中的任意位置，这样可能会导致模型训练不稳定；

在这个检测任务中，共包含：Anchor Box、Ground Truth Box、Prediction Box；其中，Anchor Box和Ground Truth Box是不变的，前者是人为设定的，后者是真实存在的；因此，在训练的过程中，变化的只是Prediction Box；

因为Anchor Box与Ground Truth Box的尺寸比较接近，因此由Anchor Box回归得到最终的Prediction Box更简单一些；

因此，我们则希望Prediction Box与Anchor Box的位置偏差，趋近于Ground Truth Box与Anchor Box的位置偏差；

那么，Prediction Box与Anchor Box的位置偏差表示为：

\[t_x^p = \dfrac{x_p - x_a}{w_a}, t_y^p = \dfrac{y_p - y_a}{h_a} \]

\[t_w^p = log(\dfrac{w_p}{w_a}), t_h^p = log(\dfrac{h_p}{h_a}) \]

其中，\(x_p, y_p, w_p, h_p\)表示Prediction Box的位置信息，\(x_a, y_a, w_a, h_a\)表示Anchor Box的位置信息；

Ground Truth Box与Anchor Box的位置偏差表示为：

\[t_x^g = \dfrac{x_g - x_a}{w_a}, t_y^g = \dfrac{y_g - y_a}{h_a} \]

\[t_w^g = log(\dfrac{w_g}{w_a}), t_h^g = log(\dfrac{h_g}{h_a}) \]

其中，\(x_g, y_g, w_g, h_g\)表示Ground Truth的位置信息；

网络的输出是\(x_p, y_p, w_p, h_p\)，再结合Anchor Box即可得到最终的bbx位置信息，即：

\[x = (t_x^p \times w_a) - x_a \\ y = (t_y^p \times h_a) - y_a \\ w = w_a e^{t_w^p} \\ h = h_ae^{t_h^p} \]

然而，上面这种计算方式是没有约束的；即：假如\(t_x ^p = 1\)，则边界框的位置则向右移动先验框的一个宽度大小；当\(t_x^p = -1\)，则边界框的位置则向左移动先验框的一个宽度大小；所以每个位置的预测的边界框可以落在图片的任何位置，这将导致模型不稳定，需要长时间才能预测出正确的offset；

解决方法就是预测边界框的中心点对于对应grid cell左上角位置的相对偏移；为了将边界框中心点约束再grid cell中，使用sigmoid处理偏移值；因此，边界框的实际位置计算方式为：

\[b_x = \sigma{(t_x)} + c_x \\ b_y = \sigma{(t_y)} + c_y \\ b_w = p_we^{t_w} \\ b_h = p_h e^{t_h} \]

其中，\(b_x, b_y, b_w, b_h\)就是最终边界框的位置信息；\(c_x, c_y\)表示当前grid cell的左上角坐标（相对于feature map）；

\(p_w, p_h\)表示先验框的宽度与长度，它们的值也是相对于特征图大小的；

因此，预测的边界框相对于整张图的位置为：

\[b_x = (\sigma{(t_x)} + c_x)/W \\ b_y = (\sigma{(t_y)} + c_y)/H \\ b_w = p_w e^{t_w} / W \\ b_h = p_h e^{t_h} / H \]

其中，\(W, H\)表示feature map的宽度和长度；

因此，如果将上述得到的值再乘以原始图像的宽度和长度，则就可以得到最终的预测框的位置了；

3.4 passthrough(Fine-grained feature)

将网络的深层特征与浅层特征连接在一起，将输出的特征包含物理信息和语义信息；

那么，如何连接高分辨特征与低分辨特征呢？作者reorg层，实现从高分辨向地分辨的转换；

那么，连接的部分可以称为short-cut，或者skip-connnection；

（小的feature map变成大的feature map，两种方式：转置卷积、上采样）

3.5 multi-scale

在训练的过程中，每10个epoch，网络会随机选择一个新的输入尺寸进行训练；

尺度分布在：\(320, 352, ..., 608\)；

为了保证网络模型能够接入不同尺度的图像，移除了FC层，使其能够承接任意size的输入，提升模型的鲁棒性；

4. YOLO v3

上图表示了YOLO v3整体的网络结构，

• 其中DBL表示Darknet conv2d + BN + Leaky ReLU，是YOLO v3的基本组件；

• res unit表示残差块

• concat表示拼接，也可以称为skip connection，short-cut；

4.1 Backbone

在YOLO v3中，没有池化层和全连接层，feature map尺度的降低时通过调整卷积核的步长进行实现的；

YOLO v3的整体结构类似于YOLO v2，但具体细节则存在很大的不同：

相同点：

1. 沿用YOLO的“分而治之”的策略，即通过划分单元格来进行检测；
2. 从YOLO v2开始，卷积后面一般跟着BN和Leaky ReLU；
3. 端到端的训练，即一个loss function；

不同点：

1. YOLO v3抛弃了最大池化层，使用步长为2的卷积层代替；
2. 引入了残差结构，
3. 借鉴了特征金字塔网络（FPN），采用多尺度来对不同的size的目标进行检测；

4.2 Output

如下图所示，可以看得到YOLO v3的输出包含三个尺度的tensor，维度分别为\(13\times 13 \times 255, 26 \times 26 \times 255,52 \times 52 \times 255\)；这就是借鉴FPN的思想，特征金字塔：得到不同尺度下的特征，并利用该特征金字塔进行目标检测，越精细的特征可以检测除越精细的物体；

\[S\times S \times B \times (5 + C) = 3 \times (5 + 85) = S\times S \times 255 \]

YOLO v3中设定一个grid cell中预测3个bbx；

5. YOLO v4

6. 总结

Reference

• 0421三天时间掌握深度学习到YOLO系列
• yolo系列之yolo v3【深度解析】