YOLO_v1

Posted 2022-08-28 pacino12134

目标检测算法可以分为两类：

• 一类是基于region proposal的R-CNN系列算法（R-CNN，Fast R-CNN, Faster R-CNN），它们是two-stage的。要先使用启发式方法（selective search）或者CNN网络（RPN）产生region proposal，然后再在region proposal上做分类与回归。精确度高，速度低。
• 另一类是YOLO，SSD这类one-stage算法，仅仅使用一个CNN网络直接预测不同目标的类别与位置。精确度低，速度快。

采用滑动窗口的目标检测算法思路很简单，将检测问题转化为了图像分类问题。原理是采用不同大小和比例（宽高比）的窗口在整张图片上按照一定步长进行华东，然后对这些窗口对应的区域做图像分类，这样就可以实现对整张图片的检测。缺点是不知道要检测的目标大小，所以要设置不同大小和比例的窗口去滑动，还要采取合适的步长，这样会产生很多的子区域，并且都要经过分类器去做预测，这需要很大的计算量，所以你的分类器不能太复杂，因为要保证速度。解决思路之一就是减少要分类的子区域，这就是R-CNN的一个改进策略，其采用了selective search方法来找到最有可能包含目标的子区域（Region Proposal），其实可以看成采用启发式方法过滤掉很多子区域，这会提升效率。

如果用的是CNN分类器，滑动窗口非常耗时，使用全卷积方法，将网络中的卷积层代替全连接层。例如输入16x16图像经过一系列卷积操作得到2x2特征图，这个图上的每个元素与原图是一一对应的，相当于卷积核14x14，步长为2的卷积，产生4个字区域，输出通道数4，可看成4个类别的预测概率值，这样一次CNN计算就可以实现窗口滑动的所有子区域的分类预测，这就是overfeat算法的思路。这是因为卷积操作图片的空间位置信息的不变性，位置对应关系保存好了。这个思路也被R-CNN借鉴，诞生了Fast R-CNN。

尽管上面可以减少滑动窗口的计算量，但只是针对一个固定大小与步长的窗口，远远不够。

YOLO算法很好的解决了这个问题，不再是窗口滑动，而是直接将原始图片分割成互补重合的小方块，然后通过卷积最后产生这样大小的特征图，特征图的每个元素也是对应原始图片的小方块，然后利用每个元素来预测那些中心点在该小方格内的目标。

设计

将图片resize成448x448，送入到CNN网络，最后处理网络预测结果得到预测的目标。

具体的说，YOLO的CNN网络将图片分割成SXS网格，每个单元格检测那些中心点落在格子内的目标，如下图狗这个目标的中心点落在左下角一个单元格内，那么这个单元格负责预测这个狗。

每个单元格会预测B个bouding box以及bouding box的confidence。这个confidence代表所预测的box中含有object的confidence和这个bounding box预测的有多准的置信度，这个值是这样算的：

：bounding box内含有目标的概率，有取1，否则为0；

：bounding box和GT之间IoU

因此每个bounding box预测 (x, y, w, h) 和 confidence 共5个值。每个单元格还要预测一个类别信息 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（因为编码时，假如狗在单元格中心，那么狗的概率为1，其他概率为0，编码后类似：100000000000.。。）。

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。

每个单元格预测的c类的方法是，只要目标落在单元格中心，单元格就负责预测这个类，所以只预测了一次。

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。

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:

每个网格预测类别的概率 x 含有类别的概率下的置信度 = 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。

*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。

网络训练

在训练之前，现在Imagenet上进行预训练，其与训练的分类模型采用下图中前20个卷积层，然后添加一个average-pool层和全连接层。与训练之后，在预训练得到的20层卷积层之上加上随机初始化的4个卷积层和2个全连接层。由于检测任务一般需要更高清的图片，所以要将网络的输入从224x224增加到了448x448.整个网络的流程如下图所示：

也就是最后再通过全连接层将7x7x30的特征图接全连接层转化为上图所示

如何对坐标回归？

作者对坐标进行了归一处理，在同一个量刚下，这样方便处理。

假设有一个bounding box其中心刚好落在了(row,col)网格中，则这个网格需要负责预测整个红框中的dog目标。假设图像的宽为widthimage，高为heightimage；红框中心在(xc，yc)，宽为widthbox，高为heightbox那么：(1) 对于bounding box的宽和高做如下normalization，使得输出宽高介于0~1：

(2) 使用(row, col)网格的offset归一化bounding box的中心坐标：

经过上述公式得到的normalization的(x, y, w, h)，再加之前提到的confidence，共同组成了一个真正在网络中用于回归的bounding box；

而当网络在Test阶段(x,y,w,h)经过反向解码又可得到目标在图像坐标系的框。

损失函数

最后输出的是7x7x30，也就是一共有7x7个单元格，每个单元格有30维度，8 维是回归 box 的坐标，2 维是 box的 confidence，还有 20 维是类别。 

 其中坐标的 x, y 用对应网格的 offset 归一化到 0-1 之间，w, h 用图像的 width 和 height 归一化到 0-1 之间。

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。

解决的方法：

• 更重视8维的坐标预测，给这些损失前面赋予更大的 loss weight, 记为在 pascal VOC 训练中取 5。

• 对没有 object 的 box 的 confidence loss，赋予小的 loss weight，记为在 pascal VOC 训练中取 0.5。

• 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。

• 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。

缺点

YOLO 方法模型训练依赖于物体识别标注数据，因此，对于非常规的物体形状或比例，YOLO 的检测效果并不理想。

YOLO 采用了多个下采样层，网络学到的物体特征并不精细，因此也会影响检测效果。

YOLO 的损失函数中，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。

YOLO 对相互靠的很近的物体，还有很小的群体检测效果不好，这是因为一个网格中只预测了两个框（B=2），并且只属于一类。

同一类物体出现的新的不常见的长宽比和其他情况时，泛化能力偏弱。

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，还有待加强。