基于深度学习的回归方法YOLO系列简介

YOLO系列是基于深度学习的回归方法。

RCNN， Fast-RCNN，Faster-RCNN是基于深度学习的分类方法。 YOLO官网：https://github.com/pjreddie/darknet    

YOLOV1

论文下载：https://arxiv.org/abs/1506.02640代码下载：https://github.com/pjreddie/darknet 核心思想：将整张图片作为网络的输入（类似于Faster-RCNN），直接在输出层对BBox的位置和类别进行回归。

实现方法

将一幅图像分成SxS个网格(grid cell)，如果某个object的中心 落在这个网格中，则这个网格就负责预测这个object。

每个网络需要预测B个BBox的位置信息和confidence（置信度）信息，一个BBox对应着四个位置信息和一个confidence信息。confidence代表了所预测的box中含有object的置信度和这个box预测的有多准两重信息：

其中如果有object落在一个grid cell里，第一项取1，否则取0。第二项是预测的bounding box和实际的groundtruth之间的IoU值。

每个bounding box要预测(x, y, w, h)和confidence共5个值，每个网格还要预测一个类别信息，记为C类。则SxS个网格，每个网格要预测B个bounding box还要预测C个categories。输出就是S x S x (5*B+C)的一个tensor。（注意：class信息是针对每个网格的，confidence信息是针对每个bounding box的。）

举例说明: 在PASCAL VOC中，图像输入为448x448，取S=7，B=2，一共有20个类别(C=20)。则输出就是7x7x30的一个tensor。整个网络结构如下图所示：

在test的时候，每个网格预测的class信息和bounding box预测的confidence信息相乘，就得到每个bounding box的class-specific confidence score:

等式左边第一项就是每个网格预测的类别信息，第二三项就是每个bounding box预测的confidence。这个乘积即encode了预测的box属于某一类的概率，也有该box准确度的信息。

得到每个box的class-specific confidence score以后，设置阈值，滤掉得分低的boxes，对保留的boxes进行NMS处理，就得到最终的检测结果。

损失函数

在实现中，最主要的就是怎么设计损失函数，让这个三个方面得到很好的平衡。作者简单粗暴的全部采用了sum-squared error loss来做这件事。这种做法存在以下几个问题：

第一，8维的localization error和20维的classification error同等重要显然是不合理的；

第二，如果一个网格中没有object（一幅图中这种网格很多），那么就会将这些网格中的box的confidence push到0，相比于较少的有object的网格，这种做法是overpowering的，这会导致网络不稳定甚至发散。

解决办法：

更重视8维的坐标预测，给这些损失前面赋予更大的loss weight。

对没有object的box的confidence loss，赋予小的loss weight。

有object的box的confidence loss和类别的loss的loss weight正常取1。

对不同大小的box预测中，相比于大box预测偏一点，小box预测偏一点肯定更不能被忍受的。而sum-square error loss中对同样的偏移loss是一样。 为了缓和这个问题，作者用了一个比较取巧的办法，就是将box的width和height取平方根代替原本的height和width。这个参考下面的图很容易理解，小box的横轴值较小，发生偏移时，反应到y轴上相比大box要大。（也是个近似逼近方式）

一个网格预测多个box，希望的是每个box predictor专门负责预测某个object。具体做法就是看当前预测的box与ground truth box中哪个IoU大，就负责哪个。这种做法称作box predictor的specialization。 最后整个的损失函数如下所示：

这个损失函数中：

只有当某个网格中有object的时候才对classification error进行惩罚。

只有当某个box predictor对某个ground truth box负责的时候，才会对box的coordinate error进行惩罚，而对哪个ground truth box负责就看其预测值和ground truth box的IoU是不是在那个cell的所有box中最大。

其他细节，例如使用激活函数使用leak RELU，模型用ImageNet预训练等等

缺点

由于输出层为全连接层，因此在检测时，YOLO训练模型只支持与训练图像相同的输入分辨率。

虽然每个格子可以预测B个bounding box，但是最终只选择只选择IOU最高的bounding box作为物体检测输出，即每个格子最多只预测出一个物体。当物体占画面比例较小，如图像中包含畜群或鸟群时，每个格子包含多个物体，但却只能检测出其中一个。这是YOLO方法的一个缺陷。

YOLO loss函数中，大物体IOU误差和小物体IOU误差对网络训练中loss贡献值接近（虽然采用求平方根方式，但没有根本解决问题）。因此，对于小物体，小的IOU误差也会对网络优化过程造成很大的影响，从而降低了物体检测的定位准确性。

YOLOv2（YOLO9000）

文章提出了一种新的训练方法–联合训练算法，这种算法可以把这两种的数据集混合到一起。使用一种分层的观点对物体进行分类，用巨量的分类数据集数据来扩充检测数据集，从而把两种不同的数据集混合起来。 联合训练算法的基本思路就是：同时在检测数据集和分类数据集上训练物体检测器（Object Detectors ），用检测数据集的数据学习物体的准确位置，用分类数据集的数据来增加分类的类别量、提升健壮性。YOLO9000就是使用联合训练算法训练出来的，他拥有9000类的分类信息，这些分类信息学习自ImageNet分类数据集，而物体位置检测则学习自COCO检测数据集。

改进

Batch Normalization使用Batch Normalization对网络进行优化，让网络提高了收敛性，同时还消除了对其他形式的正则化（regularization）的依赖。通过对YOLO的每一个卷积层增加Batch Normalization，最终使得mAP提高了2%，同时还使model正则化。使用Batch Normalization可以从model中去掉Dropout，而不会产生过拟合。High resolution classifier目前业界标准的检测方法，都要先把分类器（classifier）放在ImageNet上进行预训练。从Alexnet开始，大多数的分类器都运行在小于256*256的图片上。而现在YOLO从224*224增加到了448*448，这就意味着网络需要适应新的输入分辨率。

       为了适应新的分辨率，YOLO v2的分类网络以448*448的分辨率先在ImageNet上进行Fine Tune，Fine Tune10个epochs，让网络有时间调整他的滤波器（filters），好让其能更好的运行在新分辨率上，还需要调优用于检测的Resulting Network。最终通过使用高分辨率，mAP提升了4%。Convolution with anchor boxesYOLOV1包含有全连接层，从而能直接预测Bounding Boxes的坐标值。Faster R-CNN的方法只用卷积层与Region Proposal Network来预测Anchor Box的偏移值与置信度，而不是直接预测坐标值。作者发现通过预测偏移量而不是坐标值能够简化问题，让神经网络学习起来更容易。

       所以最终YOLO去掉了全连接层，使用Anchor Boxes来预测 Bounding Boxes。作者去掉了网络中一个Pooling层，这让卷积层的输出能有更高的分辨率。收缩网络让其运行在416*416而不是448*448。由于图片中的物体都倾向于出现在图片的中心位置，特别是那种比较大的物体，所以有一个单独位于物体中心的位置用于预测这些物体。YOLO的卷积层采用32这个值来下采样图片，所以通过选择416*416用作输入尺寸最终能输出一个13*13的Feature Map。

       使用Anchor Box会让精确度稍微下降，但用了它能让YOLO能预测出大于一千个框，同时recall达到88%，mAP达到69.2%。Dimension clusters之前Anchor Box的尺寸是手动选择的，所以尺寸还有优化的余地。为了优化，在训练集（training set）Bounding Boxes上跑了一下k-means聚类，来找到一个比较好的值。 如果我们用标准的欧式距离的k-means，尺寸大的框比小框产生更多的错误。因为我们的目的是提高IOU分数，这依赖于Box的大小，所以距离度量的使用：

通过分析实验结果（Figure 2），左图：在model复杂性与high recall之间权衡之后，选择聚类分类数K=5。右图：是聚类的中心，大多数是高瘦的Box。 Table1是说明用K-means选择Anchor Boxes时，当Cluster IOU选择值为5时，AVG IOU的值是61，这个值要比不用聚类的方法的60.9要高。选择值为9的时候，AVG IOU更有显著提高。总之就是说明用聚类的方法是有效果的。

Direct location prediction

用Anchor Box的方法，会让model变得不稳定，尤其是在最开始的几次迭代的时候。大多数不稳定因素产生自预测Box的（x,y）位置的时候。按照之前YOLO的方法，网络不会预测偏移量，而是根据YOLO中的网格单元的位置来预测坐标，这就让Ground Truth的值介于0到1之间。而为了让网络的结果能落在这一范围内，网络使用一个 Logistic Activation来对于网络预测结果进行限制，让结果介于0到1之间。网络在每一个网格单元中预测出5个Bounding Boxes，每个Bounding Boxes有五个坐标值tx，ty，tw，th，t0，他们的关系见下图（Figure3）。假设一个网格单元对于图片左上角的偏移量是cx，cy，Bounding Boxes Prior的宽度和高度是pw，ph，那么预测的结果见下图右面的公式：

因为使用了限制让数值变得参数化，也让网络更容易学习、更稳定。Fine-Grained FeaturesYOLO修改后的Feature Map大小为13*13，这个尺寸对检测图片中尺寸大物体来说足够了，同时使用这种细粒度的特征对定位小物体的位置可能也有好处。Faster R-CNN、SSD都使用不同尺寸的Feature Map来取得不同范围的分辨率，而YOLO采取了不同的方法，YOLO加上了一个Passthrough Layer来取得之前的某个26*26分辨率的层的特征。

       这个Passthrough layer能够把高分辨率特征与低分辨率特征联系在一起，联系起来的方法是把相邻的特征堆积在不同的Channel之中，这一方法类似与Resnet的Identity Mapping，从而把26*26*512变成13*13*2048。YOLO中的检测器位于扩展后（expanded ）的Feature Map的上方，所以他能取得细粒度的特征信息，这提升了YOLO 1%的性能。Multi-ScaleTraining作者希望YOLO v2能健壮的运行于不同尺寸的图片之上，所以把这一想法用于训练model中。 区别于之前的补全图片的尺寸的方法，YOLO v2每迭代几次都会改变网络参数。

       每10个Batch，网络会随机地选择一个新的图片尺寸，由于使用了下采样参数是32，所以不同的尺寸大小也选择为32的倍数{320，352…..608}，最小320*320，最大608*608，网络会自动改变尺寸，并继续训练的过程。 这一政策让网络在不同的输入尺寸上都能达到一个很好的预测效果，同一网络能在不同分辨率上进行检测。当输入图片尺寸比较小的时候跑的比较快，输入图片尺寸比较大的时候精度高，所以你可以在YOLO v2的速度和精度上进行权衡。 Figure4，Table 3：在voc2007上的速度与精度

YOLOV3

YOLO v3的模型比之前的模型复杂了不少，可以通过改变模型结构的大小来权衡速度与精度。 速度对比如下：

简而言之，YOLOv3 的先验检测（Prior detection）系统将分类器或定位器重新用于执行检测任务。他们将模型应用于图像的多个位置和尺度。而那些评分较高的区域就可以视为检测结果。此外，相对于其它目标检测方法，我们使用了完全不同的方法。我们将一个单神经网络应用于整张图像，该网络将图像划分为不同的区域，因而预测每一块区域的边界框和概率，这些边界框会通过预测的概率加权。我们的模型相比于基于分类器的系统有一些优势。它在测试时会查看整个图像，所以它的预测利用了图像中的全局信息。与需要数千张单一目标图像的 R-CNN 不同，它通过单一网络评估进行预测。这令 YOLOv3 非常快，一般它比 R-CNN 快 1000 倍、比 Fast R-CNN 快 100 倍。

改进之处

多尺度预测 （类FPN）

更好的基础分类网络（类ResNet）和分类器 darknet-53,见下图。

分类器-类别预测。

YOLOv3不使用Softmax对每个框进行分类，主要考虑因素有两个：

Softmax使得每个框分配一个类别（score最大的一个），而对于Open Images这种数据集，目标可能有重叠的类别标签，因此Softmax不适用于多标签分类。

Softmax可被独立的多个logistic分类器替代，且准确率不会下降。

分类损失采用binary cross-entropy loss。

多尺度预测

每种尺度预测3个box, anchor的设计方式仍然使用聚类,得到9个聚类中心,将其按照大小均分给3个尺度.

尺度1: 在基础网络之后添加一些卷积层再输出box信息.

尺度2: 从尺度1中的倒数第二层的卷积层上采样(x2)再与最后一个16x16大小的特征图相加,再次通过多个卷积后输出box信息.相比尺度1变大两倍.

尺度3: 与尺度2类似,使用了32x32大小的特征图.

参见网络结构定义文件https://github.com/pjreddie/darknet/blob/master/cfg/yolov3.cfg 基础网络 Darknet-53

darknet-53

仿ResNet, 与ResNet-101或ResNet-152准确率接近,但速度更快.对比如下:

主干架构的性能对比

检测结构如下：

YOLOv3在mAP@0.5及小目标APs上具有不错的结果,但随着IOU的增大,性能下降,说明YOLOv3不能很好地与ground truth切合.

边框预测

图 2：带有维度先验和定位预测的边界框。我们边界框的宽和高以作为离聚类中心的位移，并使用 Sigmoid 函数预测边界框相对于滤波器应用位置的中心坐标。 仍采用之前的logis，其中cx,cy是网格的坐标偏移量,pw,ph是预设的anchor box的边长.最终得到的边框坐标值是b*,而网络学习目标是t*，用sigmod函数、指数转换。优点

快速,pipline简单.

背景误检率低。

通用性强。YOLO对于艺术类作品中的物体检测同样适用。它对非自然图像物体的检测率远远高于DPM和RCNN系列检测方法。

但相比RCNN系列物体检测方法，YOLO具有以下缺点：

识别物体位置精准性差。

召回率低。在每个网格中预测两个box这种约束方式减少了对同一目标的多次检测(R-CNN使用的region proposal方式重叠较多),相比R-CNN使用Selective Search产生2000个proposal（RCNN测试时每张超过40秒）,yolo仅使用7x7x2个.

YOLOV4

YOLOv4: Optimal Speed and Accuracy of Object Detection 论文：https://arxiv.org/abs/2004.10934 代码：https://github.com/AlexeyAB/darknet YOLOv4！

YOLOv4 在COCO上，可达43.5％ AP，速度高达 65 FPS！ YOLOv4的特点是集大成者，俗称堆料。但最终达到这么高的性能，一定是不断尝试、不断堆料、不断调参的结果，给作者点赞。下面看看堆了哪些料：

Weighted-Residual-Connections (WRC)

Cross-Stage-Partial-connections (CSP)

Cross mini-Batch Normalization (CmBN)

Self-adversarial-training (SAT)

Mish-activation

Mosaic data augmentation

CmBN

DropBlock regularization

CIoU loss

本文的主要贡献如下： 1. 提出了一种高效而强大的目标检测模型。它使每个人都可以使用1080 Ti或2080 Ti GPU 训练超快速和准确的目标检测器（牛逼！）。 2. 在检测器训练期间，验证了SOTA的Bag-of Freebies 和Bag-of-Specials方法的影响。 3. 改进了SOTA的方法，使它们更有效，更适合单GPU训练，包括CBN [89]，PAN [49]，SAM [85]等。文章将目前主流的目标检测器框架进行拆分：input、backbone、neck 和 head. 具体如下图所示：

对于GPU，作者在卷积层中使用：CSPResNeXt50 / CSPDarknet53

对于VPU，作者使用分组卷积，但避免使用（SE）块-具体来说，它包括以下模型：EfficientNet-lite / MixNet / GhostNet / MobileNetV3

作者的目标是在输入网络分辨率，卷积层数，参数数量和层输出（filters）的数量之间找到最佳平衡。 总结一下YOLOv4框架：

Backbone：CSPDarknet53

Neck：SPP，PAN

Head：YOLOv3

YOLOv4 = CSPDarknet53+SPP+PAN+YOLOv3 其中YOLOv4用到相当多的技巧：

用于backbone的BoF：CutMix和Mosaic数据增强，DropBlock正则化，Class label smoothing

用于backbone的BoS：Mish激活函数，CSP，MiWRC

用于检测器的BoF：CIoU-loss，CmBN，DropBlock正则化，Mosaic数据增强，Self-Adversarial 训练，消除网格敏感性，对单个ground-truth使用多个anchor，Cosine annealing scheduler，最佳超参数，Random training shapes

用于检测器的Bos：Mish激活函数，SPP，SAM，PAN，DIoU-NMS

看看YOLOv4部分组件：

感受一下YOLOv4实验的充分性（调参的艺术）:

感受一下性能炸裂的YOLOv4实验结果:

YOLO v.s Faster R-CNN

1.统一网络:YOLO没有显示求取region proposal的过程。Faster R-CNN中尽管RPN与fast rcnn共享卷积层，但是在模型训练过程中，需要反复训练RPN网络和fast rcnn网络.相对于R-CNN系列的"看两眼"(候选框提取与分类),YOLO只需要Look Once. 2. YOLO统一为一个回归问题，而R-CNN将检测结果分为两部分求解：物体类别（分类问题），物体位置即bounding box（回归问题）。  

参考

1. V1，V2，V3转载地址： https://blog.csdn.net/App_12062011/article/details/77554288 2. V4转载地址： https://mp.weixin.qq.com/s/Ua3T-DOuzmLWuXfohEiVFw  

责任编辑：xj

原文标题：YOLO系列：V1,V2,V3,V4简介

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