YOLOv1学习记录

之前就学过了这篇文章，发现自己根本记不住，哎还是安安静静做一条记笔记的金鱼吧。

一、综述

先看这个图，可以看出YOLO的特点快和并没要较高的准确率（和FAST R-CNN）。主要原因：作者提出了新的一种物体检测的方法YOLO，YOLO之前是通过region proposal产生大量的potential bounding boxes，随后分类器分别对每个Bounding box进行解析：判断该Boundingbox是否含有物体，物体所含类别，以及confidence。大部分深度学习网络如：R-CNN，FAST-R-CNN，Faster-R-CNN等都是通过这种方式来进行物体检测。YOLO与上述方法不同，其将物体检测任务当做了一个regression问题来处理，通过将一张图片送入神经网络中，来预测出bounding box的坐标，类别以及置信度。由于YOLO目标检测是在一个神经网络中完成的，所以是end to end来进行目标检测。YOLO的优点是在于其实时性比较好，其检测速度可以高达45FPS，使用Tiny-YOLO速度会更加快，但是Tiny-YOLO的准确率并不是很高。速度效率如图所示。

二、yolov1特点

YOLO模型相对于之前的物体检测方法有多个优点：

1、YOLO检测物体非常快。 
因为没有复杂的检测流程，只需要将图像输入到神经网络就可以得到检测结果，YOLO可以非常快的完成物体检测任务。标准版本的YOLO在Titan X 的 GPU 上能达到45 FPS。更快的Fast YOLO检测速度可以达到155 FPS。而且，YOLO的mAP是之前其他实时物体检测系统的两倍以上。

2、YOLO可以很好的避免背景错误，产生false positives。 
不像其他物体检测系统使用了滑窗或region proposal，分类器只能得到图像的局部信息。YOLO在训练和测试时都能够看到一整张图像的信息，因此YOLO在检测物体时能很好的利用上下文信息，从而不容易在背景上预测出错误的物体信息。和Fast-R-CNN相比，YOLO的背景错误不到Fast-R-CNN的一半。

3、YOLO可以学到物体的泛化特征。 
当YOLO在自然图像上做训练，在艺术作品上做测试时，YOLO表现的性能比DPM、R-CNN等之前的物体检测系统要好很多。因为YOLO可以学习到高度泛化的特征，从而迁移到其他领域。

尽管YOLO有这些优点，它也有一些缺点：

1、YOLO的物体检测精度低于其他state-of-the-art的物体检测系统。 
2、YOLO容易产生物体的定位错误。 
3、YOLO对小物体的检测效果不好（尤其是密集的小物体，因为一个栅格只能预测2个物体）

三、(YOLO到底是如何进行物体检测的)：Unified Detection

YOLO将输入图像划分为S*S的栅格，每个栅格负责检测中心落在该栅格中的物体,如下图所示： 

每一个栅格预测B个bounding boxes，以及这些bounding boxes的confidence scores。 
这个 confidence scores反映了模型对于这个栅格的预测：该栅格是否含有物体，以及这个box的坐标预测的有多准。 
公式定义如下： 
 
如果这个栅格中不存在一个 object，则confidence score应该为0；否则的话，confidence score则为 predicted bounding box与 ground truth box之间的 IOU（intersection over union）。

YOLO对每个bounding box有5个predictions：x, y, w, h, 
and confidence。 
坐标x,y代表了预测的bounding box的中心与栅格边界的相对值。 
坐标w,h代表了预测的bounding box的width、height相对于整幅图像width,height的比例。 
confidence就是预测的bounding box和ground truth box的IOU值。 

每一个栅格还要预测C个 conditional class probability（条件类别概率）：Pr(Classi|Object)。即在一个栅格包含一个Object的前提下，它属于某个类的概率。 
我们只为每个栅格预测一组（C个）类概率，而不考虑框B的数量。

 
注意： 
conditional class probability信息是针对每个网格的。 
confidence信息是针对每个bounding box的。

在测试阶段，将每个栅格的conditional class probabilities与每个 bounding box的 confidence相乘： 
 
这样既可得到每个bounding box的具体类别的confidence score。 
这乘积既包含了bounding box中预测的class的 probability信息，也反映了bounding box是否含有Object和bounding box坐标的准确度。

将YOLO用于PASCAL VOC数据集时： 
论文使用的 S=7，即将一张图像分为7×7=49个栅格每一个栅格预测B=2个boxes（每个box有 x,y,w,h,confidence，5个预测值），同时C=20（PASCAL数据集中有20个类别）。 
因此，最后的prediction是7×7×30 { 即S * S * ( B * 5 + C) }的Tensor。

四、YOLO网络结构

Yolo采用卷积网络来提取特征，然后使用全连接层来得到预测值。网络结构参考GooLeNet模型，包含24个卷积层和2个全连接层，如图8所示。对于卷积层，主要使用1x1卷积来做channle reduction1x1（卷积层的存在是为了跨通道信息整合），然后紧跟3x3卷积。对于卷积层和全连接层，采用Leaky ReLU激活函数：。但是最后一层却采用线性激活函数。除了上面这个结构，文章还提出了一个轻量级版本Fast Yolo，其仅使用9个卷积层，并且卷积层中使用更少的卷积核。

五、YOLO损失函数

损失函数的设计目标就是让坐标（x,y,w,h），confidence，classification 这个三个方面达到很好的平衡。 
简单的全部采用了sum-squared error loss来做这件事会有以下不足： 
a) 8维的localization error和20维的classification error同等重要显然是不合理的。 
b) 如果一些栅格中没有object（一幅图中这种栅格很多），那么就会将这些栅格中的bounding box的confidence 置为0，相比于较少的有object的栅格，这些不包含物体的栅格对梯度更新的贡献会远大于包含物体的栅格对梯度更新的贡献，这会导致网络不稳定甚至发散。

解决方案如下： 
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 λcoord ,在pascal VOC训练中取5。（上图蓝色框） 
对没有object的bbox的confidence loss，赋予小的loss weight，记为 λnoobj ，在pascal VOC训练中取0.5。（上图橙色框） 
有object的bbox的confidence loss (上图红色框) 和类别的loss （上图紫色框）的loss weight正常取1。

对不同大小的bbox预测中，相比于大bbox预测偏一点，小box预测偏相同的尺寸对IOU的影响更大。而sum-square error loss中对同样的偏移loss是一样。 
为了缓和这个问题，作者用了一个巧妙的办法，就是将box的width和height取平方根代替原本的height和width。 如下图：small bbox的横轴值较小，发生偏移时，反应到y轴上的loss（下图绿色）比big box(下图红色)要大。

在 YOLO中，每个栅格预测多个bounding box，但在网络模型的训练中，希望每一个物体最后由一个bounding box predictor来负责预测。 
因此，当前哪一个predictor预测的bounding box与ground truth box的IOU最大，这个 predictor就负责 predict object。 
这会使得每个predictor可以专门的负责特定的物体检测。随着训练的进行，每一个 predictor对特定的物体尺寸、长宽比的物体的类别的预测会越来越好。

参考文献

https://blog.csdn.net/m0_37192554/article/details/81092514

https://blog.csdn.net/xiaomifanhxx/article/details/80841025

 

标签：box,confidence,YOLOv1,记录,物体,YOLO,学习,栅格,bounding
来源： https://blog.csdn.net/YxSsx/article/details/90044533