[目标检测] YOLO系列算法讲解

前言

目标检测就是做到给模型输入一张图片或者视频，模型可以迅速判断出视频和图片里面感兴趣的目标所有的位置和它 的类别，而当前最热门的目标检测的模型也就是YOLO系列了。

YOLO系列的模型的提出，是为了解决当时目标检测的模型帧率太低而提出来的模型，英文全称是

You only look once。

深度学习目标检测算法分类：

（1）two-stage 两个阶段的检测，模型举例 Faster-RCNN Mask-Rcnn系列

   (2) one-stage 一个阶段的检测：YOLO系列

这两个主要区别可以简单理解为，两个阶段有一个选择预选框和物体分类的一个过程，而单阶段的将检测问题转换为一个回归问题

下边来详细讲解YOLO系列的各个阶段的模型。

一、YOLOv1

1、模型背景

YOLOV1，是以Joseph Redmon为首的大佬们于2015年提出的一种新的目标检测算法。它与之前的目标检测算法如R-CNN等不同之处在于，R-CNN等目标检测算法是两阶段算法， 步骤为先在图片上生成候选框，然后利用分类器对这些候选框进行逐一的判断；而YOLOv1是一阶段算法，是端到端的算法，它把目标检测问题看作回归问题，将图片输入单一的神经网络，然后就输出得到了图片的物体边界框（boundingbox）以及分类概率等信息。

总结：YOLOv1直接从输入的图像，仅仅经过一个神经网络，直接得到一些bounding box（位置坐标）以及每个bounding box对所有类别的一个概率情况，因为整个的检测过程仅仅有一个网络，所以可以直接进行端到端的优化，而无需像Faster R-CNN的分阶段的优化。

end-to-end(端到端)：指的是一个过程，输入原始数据，输出最后结果。之前的网络Fast RCNN等这种网络分为两个阶段，一个是预选框的生成和目标分类与边界框回归，具体内容大家可以自行理解。

YOLO的核心思想就是把目标检测转变为一个回归问题，利用整张图作为网络的输入，仅仅经过一个神经网络，得到bounding box（边界框） 的位置及其所属的类别。

2、网络结构

YOLOv1的网络结构简单清晰，是一个最传统的one-stage的卷积神经网络。

网络输入：448*448*3的三通道图片

中间层：由若干卷积层和最大池化层组成，用于提取图片的抽象特征。

全连接层：由两个全连接层组成，用来预测目标的位置和类别概率值。

网络输出：7*7*30的预测结果。

3、网络细节

YOLOv1采用的是”分而治之“的策略，将一张图片平均分成7*7个网格，每个网格分别负责预测中心点落在该网格内的坐标，回忆一下，在Faster R-CNN中，是通过一个RPN来获得目标的感兴趣区域，这种方法精度很高，但是需要额外训练一个RPN网络，这无疑增加了训练的负担。在YOLOv1中，通过划分得到7*7个网络，（原图划分），这49个网格就相当于是目标的感兴趣区域。通过这种方式，我们就不需要再额外设计一个RPN网络，这正是YOLOv1作为单阶段网络的简单快捷之处。

补充说明过程：

1、将一副图像分成S*S个网格（grid cell），如果某个目标的中心落在这个网格中，那么这个网络就负责预测这个object。(原本中是7个)

2、每个网格要预测B个bounding box，每个bounding box要预测（x，y，w，h）和confidence共五个值。文中B为2。

其中：x和y是这些边界框的中心坐标相对于网格单元格的坐标。也就是说，x和y是边界框中心点相对于网格单元左上角的偏移量。坐标是以网格单元格的宽度和高度为单位的相对值。因此这两个值表示的是边界框中心的精确位置。

w和h，这些是边界框的宽度和高度的相对值，通常是相对于整张图片的宽度和高度，它们表示边界框的大小，也就是边界框的高度和宽度的预测值，这些值通常是对整张图片的归一化的比例值。

confidence（置信度）：描述的是边界框的置信度（边界框包含物体的概率）。换句话说，它衡量了边界框中确实有物体的可信度。

3、每个网格还需要预测一个类别信息，记为C个类。文中为20，

4、总的来说，S*S个网格，每个网格预测2个bbx，还要预测20个类，那么网络最后输出的就是一个7*7*30.

在模型最后是生成了98个边界框，生成完边界框后，通过NMS（非极大值预测）来筛选出最优的边界框。

4、预测阶段

在模型训练完成后，向搭载玩参数的模型输入图片，然后得到最后结果的一个过程。

将网络当成一个黑箱子，输入的是一个448*448*3的RGB图像，最后输出的一个7*7*30的向量。

整体的网络结构很简单，都是卷积、池化、全连接层，一目了然。

而最后输出的向量，包含了类别、框、置信度等结果，而我们只需要解释这个向量就得到最后的结果了。

下面对最后输出的向量，进行一个分析，当我们输入一张图片的时候，最后会生成7*7*30的向量，如何去理解呢，可以将这个向量看做成7*7个1*30的向量，也就是49个1*30的向量，这里的每个1*30的向量，对应于前面的一个grid cell，将向量拆分为两个预测框的坐标以及预测框包含物体的置信度，和20个类别的条件概率。其中每个gridcell只会预测一个物体，也因此暴露出YOLOv1在小目标上检测的缺陷。然后预测中又引入了NMS向量对上述的98个框进行筛选，最后才可以得出我们的结果。

5、训练阶段

这个阶段，我首先主要是解释一下几个问题，

，首先是YOLOv1是端到端的一个网络，也就是输入的是原图，输出的是一个向量，而训练的过程包括两个过程，一个是前向传播，另一个就是反向传播，通过不断迭代，使梯度下降，进而使损失函数最小化，这个过程。训练的流程大致为，输入batchsize张图片，得出batchsize*7*7*30的一个张量，将该张量与标签（batchsize*7*7*30的向量）计算出损失为多少，然后根据这个损失对网络的参数进行梯度计算，不断迭代，不断优化参数，这样的一个过程。我觉得这样理解好理解的多。

这个代码大致流程可以分为以下部分

1、超参数初始化

2、数据初始化，构造数据迭代器，因为原本一张图片对应的标签并不是7*7*30的一个向量，因此要对数据进行预处理，把每一个图片的标签变成7*7*30的一个格式。

3、网络初始化，我这里给的代码使ResNet50的网络，这个网络也叫做backbone大家以后会经常看到的，网络结构差不多，然后输入是bs*448*448*3，输出就是bs*7*7*30的这样一个结构

4、上述都可以看成初始化过程，然后就开始训练，也就是前向传播，反向传播，参数优化这样迭代的一个过程，最后保存参数。

6、损失函数

可以大致看成四个部分，

第一部分表示负责检测物体的bounding box中心点定位误差，要和ground truth尽可能拟合，x xx带上标的是标注值，不带上标的是预测值。

第二表示表示负责检测物体的bounding box的宽高定位误差，加根号是为了使得对小框的误差更敏感。

第三部分：

第四部分是负责检测物体的grid的分类误差。

7、总结

模型优点：YOLO检测速度非常快，标准版本的YOLO可以每秒处理45张图像，YOLO的极速版本可以每秒处理150帧图像，这就意味着该模型可以实时处理视频，在当时，准确率比它高的，速度没他快，速度比他快的，精度没他高。

迁移能力强，能运用到其他新的领域。

局限：

1、YOLO对相互靠近的物体，以及很小的群体检测效果不好，因为只预测了98个框。假如一张图片有200个目标的话，根本检测不完。

2、由于损失函数的问题，定位误差是影响检测效果的主要原因，尤其是大小物体的处理上。有待提高。

3、对一些不常见的角度的目标泛化性能差。

二、YOLOv2

1、模型背景

2017年，作者 Joseph Redmon 和 Ali Farhadi 在 YOLOv1 的基础上，进行了大量改进，提出了 YOLOv2 和 YOLO9000。重点解决YOLOv1召回率和定位精度方面的不足。

YOLOv2 是一个先进的目标检测算法，比其它的检测器检测速度更快。除此之外，该网络可以适应多种尺寸的图片输入，并且能在检测精度和速度之间进行很好的权衡。

相比于YOLOv1是利用全连接层直接预测Bounding Box的坐标，YOLOv2借鉴了Faster R-CNN的思想，引入Anchor机制。利用K-means聚类的方法在训练集中聚类计算出更好的Anchor模板，大大提高了算法的召回率。同时结合图像细粒度特征（特征融合），将浅层特征与深层特征相连，有助于对小尺寸目标的检测。

YOLO9000 使用 WorldTree 来混合来自不同资源的训练数据，并使用联合优化技术同时在ImageNet和COCO数据集上进行训练，能够实时地检测超过9000种物体。由于 YOLO9000 的主要检测网络还是YOLOv2，所以这部分以讲解应用更为广泛的YOLOv2为主。

2、网络结构

YOLOv2 采用 Darknet-19 作为特征提取网络，DarkNet-19，后边的19指的是用了19个卷积层的意思。其整体结构如下：

说明：

1、DarkNet-19与VGG网络相似，使用了很多3*3的卷积核；并且每一次池化后，下一层的卷积核的通道数 = 池化输出的通道*2

2、每一次卷积后，都增加了BN（批量标准化）进行预处理。

3、采用了降维的思想，把1*1的卷积置于3*3之间，用来压缩特征。

4、在网络最后的输出增加了一个global average pooling层，这个层就是把一个二维的特征图缩减成一个数的一个操作。

5、网络整体上采用了19个卷积层、5个池化层。

上述流程中有很多细节之处，我简单总结一下。

1、在YOLOv1当中有全连接层，所以在YOLOv1当中是引入了Dropout正则化，用来防止过拟合，而在YOLOv2中去掉了全连接层，引入了BN层，在每一个卷积层后都加入了BN，也就是网络的每一层都做了归一化，收敛起来相对简单，引入BN层后提升了2%的MAP，目前BN层可以说是网络模型必备的处理方法。

2、引入了1*1和全局最大值池化对网络的参数量有很大减少，减少了计算量，提升了检测速度。

3、网络细节

1、引入了anchor机制

这个机制在Faster R-CNN中引入的，在YOLOV1是直接做的回归计算出bbx（bounding box）坐标值，并且是从全连接层变化来的，这会丢失较多的的空间信息，导致定位精度不高，并且在前期训练时很困难，很难收敛。

而YOLOv2中借鉴了Faster R-CNN中的anchor思想，使得网络在训练时更容易收敛。这里引入的机制，相对于FasterR-cnn中的anchor机制做了一些改进，在rcnn中是初始化设定好的anchor，而在YOLO中是通过K-means聚类的方法来选择出的合适训练数据集的anchor，K-means聚类在后续进行介绍。通过提前筛选得到的具有代表性先验框Anchors，使得网络在训练时更容易收敛。

在Faster R-CNN算法中，是通过预测boundingbox与ground truth的位置偏移值tx和ty，间接得到的boundingbox的位置，其公式如下：

这个公式是无拘束的，预测边界框很容易向任何方向偏移。因此，每个位置预测的边界框可以落在图片的任何位置，这会导致模型很不稳定。

因此YOLOv2在上述方法做了提高，预测边界框中心点相对于该网格左上角坐标（Cx，Cy）的相对偏移量，同时为了将bounding box的中心点坐标约束在当前网格中，使用sigmoid函数将tx和ty归一化处理，让这个值约束在0-1，

下图为anchor box 与 bounding box转换的示意图，其中蓝色是要预测的bounding box，黑色虚线框是Anchor box。

YOLOv2在最后一个卷积层输出了13*13的feature map，意味着一张图片被分成了13*13个网格，每个网格有5个anchor box来预测5个bounding box，每个bounding box预测得到五个值：tx、ty、tw、th和to，通过这五个值简介预测得到的bounding box的位置的计算公式为：

YOLOv1有一个缺陷是，一张图片被分成了7*7的网络，一个网格只能预测一个类，当一个网格中出现了多个类时，就无法检测出所有的类，针对这个问题，YOLOv2做出了相对应的改进：

1、首先将YOLOv1网络的FC层和最后一个Pooling层去掉，使得最后的卷积层的输出可以有更高的分辨率特征。

2、然后缩减网络，用416×416大小的输入代替原来的448×448，使得网络输出的特征图有奇数大小的宽和高，进而使得每个特征图在划分单元格的时候只有一个中心单元格（Center Cell）。YOLOv2通过5个Pooling层进行下采样，得到的输出是13×13的像素特征。
3、借鉴Faster R-CNN，YOLOv2通过引入Anchor Boxes，预测Anchor Box的偏移值与置信度，而不是直接预测坐标值。
4、采用Faster R-CNN中的方式，每个Cell可预测出9个Anchor Box，共13×13×9=1521个（YOLOv2确定Anchor Boxes的方法见是维度聚类，每个Cell选择5个Anchor Box）。比YOLOv1预测的98个bounding box 要多很多，因此在定位精度方面有较好的改善。

2、K-means聚类方法选择Anchors

Faster R-CNN 中 Anchor Box 的大小和比例是按经验设定的，不具有很好的代表性。若一开始就选择了更好的、更有代表性的先验框Anchor Boxes，那么网络就更容易学到准确的预测位置了！

YOLOv2 使用 K-means 聚类方法得到 Anchor Box 的大小，选择具有代表性的尺寸的Anchor Box进行一开始的初始化。传统的K-means聚类方法使用标准的欧氏距离作为距离度量，这意味着大的box会比小的box产生更多的错误。因此这里使用其他的距离度量公式。聚类的目的是使 Anchor boxes 和临近的 ground truth boxes有更大的IOU值，因此自定义的距离度量公式为 ：

到聚类中心的距离越小越好，但IOU值是越大越好，所以使用 1 - IOU；这样就保证距离越小，IOU值越大。具体实现方法如下：

 如下图所示，是论文中的聚类效果，其中紫色和灰色也是分别表示两个不同的数据集，可以看出其基本形状是类似的。

从下表可以看出，YOLOv2采用5种 Anchor 比 Faster R-CNN 采用9种 Anchor 得到的平均 IOU 还略高，并且当 YOLOv2 采用9种时，平均 IOU 有显著提高。说明 K-means 方法的生成的Anchor boxes 更具有代表性。为了权衡精确度和速度的开销，最终选择K=5。

3、特征融合 Fine-Grained Features

细粒度特征，就是不同层之间的特征融合，和残差里面的概念很像，就是把浅层特征和深层特征融合在一起。YOLOv2通过添加了一个Passthrough Layer，把浅层特征和深层特征在不同的通道上进行融合，具体操作是：先获取浅层的26*26的特征图，再将最后输出的13*13的特征图进行拼接，再输入检测器进行检测，以此来提高对小目标的检测能力。

Passthrough层与ResNet网络的shortcut类似，以前面更高分辨率的特征图为输入，然后将其连接到后面的低分辨率特征图上。前面的特征图维度是后面的特征图的2倍，passthrough层抽取前面层的每个2×2的局部区域，然后将其转化为channel维度，对于26×26×512的特征图，经Passthrough层处理之后就变成了13×13×2048的新特征图（特征图大小降低4倍，而channles增加4倍），这样就可以与后面的13×13×1024特征图连接在一起形成13×13×3072的特征图，然后在此特征图基础上卷积做预测。示意图如下：

4、总结

在VOC2007数据集上进行测试，YOLOv2在速度为67fps时，精度可以达到76.8的mAP；在速度为40fps时，精度可以达到78.6的mAP，可以在速度和精度之间进行平衡。

三、YOLOv3

1、模型背景

2018年，作者Redmon又在YOLOv2的基础上做了一些改进，特征提取部分（backbone）网络结构darknet53代替了原来的darknet19，利用特征金字塔网络实现了多尺度预测，分类方法使用逻辑回归代替了softmax，在兼顾实时性的同时保证了目标检测的准确性。

从YOLOv1到YOLOv3，每一代性能的提升都与backbone（骨干网络）的改进密切相关。在YOLOv3中，作者不仅提供了darknet-53，还提供了轻量级的tiny-darknet。如果你想要检测精度与速度兼具，可以选择darknet-53作为backbone；如果希望达到更快的检测速度，精度方面可以妥协，那么tiny-darknet是最好的选择。总之，YOLOv3的灵活性使得在实际工程中得到很多人的青睐。

2、网络结构

相比于YOLOv2的骨干网络，YOLOv3进行了较大的改进。借助残差网络的思想，YOLOv3将原来的darknet-19改进成了darknet-53，论文中给出的整体结构如下。

DarkNet-53主要是由1*1和3*3的卷积核组成。每个卷积层之后包含一个批量归一化层和一个Leaky Relu，加入这两个部分的目的是防止过拟合。卷积层、批量归一化层以及Leaky Relu共同组成DarkNet-53中的基本卷积单元DBL。因为在DarkNet-53中包含53个这样的DBL，所以称为Darknet-53.

为了更加清晰了解DarkNet-53的网络结构，可以看下面这张图：

网络结构其实看的话，不是算很复杂。下面对主要的几个单元进行解释。

1、DBL：一个卷积层、一个BN层和一个Leaky ReLU组成的基本卷积单元。

这个是组成网络的基本组成单元，其中的话，中间层经过一个DBL后，特征图的大小不会发生变化

2、res unit：输入通过两个DBL后，再与原输入进行add；这是一种常规的残差单元。残差单元的目的是为了让网络可以提取到更深层次的特征，同时避免出现梯度消失或者爆炸。

通过一个残差块后，特征图的尺寸并没有发生变化，不管是特征图的长宽，还是特征图的通道数，都没有发生变化。

3、resn：其中的n表示的是n个res unit；所以resn = Zero Padding +DBL+n*res unit

4、concat：将darknet-53的中间层和后面的某一层的上采样进行张量拼接，达到多尺度特征融合的目的。这与残差层的add操作是不一样的，拼接会扩充张量的维度，而add直接相加不会导致张量维度的改变。

Y1、Y2、Y3:分别表示YOLOv3三种尺度的输出。

与darkNet-19对比可知，darkNet-53主要做了如下改进。

1、没有采用最大池化层，而是采用步长为2的卷积层进行下采样。

2、为了防止过拟合，每个卷积层后加入了一个BN层和一个Leaky ReLU。

3、引入了残差网络的思想，目的是为了让网络可以提取到更深层的特征，同时为了防止出现梯度的消失和爆炸。

4、将网络的中间层和后面某一层的上采样进行张量拼接，达到多尺度特征融合的目的。

3、改进之处

YOLOv3最大的改进之处还在于网络结构的改进，由于上面已经讲过了。因此下面主要对其他改进方面进行介绍。

1、多尺度预测

为了能给预测多尺度的目标，YOLOv3选了三种不同shape的Anchors，同时每种Anchors具有三种不同的尺度，一共9种不同大小的Anchors。在COCO数据集上选择的9种Anchors的尺寸如下图红色框所示：

借鉴特征金字塔网的思想，YOLOv3设计了三种不同尺度的网络输出Y1、Y2、Y3、目的是为了预测不同尺度的坐标，由于每一个尺度网格都负责预测3个边界框，且COCO数据集有80个类。所以网络输出的张量应该是：N*N*(3*(5+1+80)).由下采样次数不同，得到的N不同，最终，Y1、Y2、Y3的shape分别为：[13, 13, 255]、[26, 26, 255]、[52, 52, 255]。可见参见原文：

先写到这里，后续有时间再写。