【深度学习YOLO V1】深刻解读YOLO V1（图解）

参考：

http://blog.csdn.net/u011534057/article/details/51244354

https://zhuanlan.zhihu.com/p/24916786

论文下载： http://arxiv.org/abs/1506.02640 
darknet版的代码下载： https://github.com/pjreddie/darknet

tensorflow版本的代码下载： https://github.com/hizhangp/yolo_tensorflow

源码分析可参考： https://zhuanlan.zhihu.com/p/25053311

后续我会针对这个模型给出具体的实践文章。

这是继RCNN，fast-RCNN 和 faster-RCNN之后，rbg（Ross Girshick）大神挂名的又一大作，起了一个很娱乐化的名字：YOLO。 
虽然目前版本还有一些硬伤，但是解决了目前基于DL检测中一个大痛点，就是速度问题。 
其增强版本GPU中能跑45fps，简化版本155fps。

YOLO主要特点是：

• 速度快，能够达到实时的要求。在 Titan X 的 GPU 上 能够达到 45 帧每秒。
• 使用全图作为 Context 信息，背景错误（把背景错认为物体）比较少。
• 泛化能力强。

1. YOLO的核心思想

• YOLO的核心思想就是利用整张图作为网络的输入，直接在输出层回归bounding box的位置和bounding box所属的类别。

• 没记错的话faster RCNN中也直接用整张图作为输入，但是faster-RCNN整体还是采用了RCNN那种 proposal+classifier的思想，只不过是将提取proposal的步骤放在CNN中实现了。

2.YOLO的实现方法

• 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。 
  

• 每个网格要预测B个bounding box，每个bounding box除了要回归自身的位置之外，还要附带预测一个confidence值。 
  这个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，其值是这样计算的： 
   
  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： 

  网络设计：

  
  

  网络结构借鉴了 GoogLeNet 。24个卷积层，2个全链接层。（用1×1 reduction layers 紧跟 3×3 convolutional layers 取代Goolenet的 inception modules ）

  
  

• 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。

3.YOLO的实现细节

• 每个grid有30维，这30维中，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。

• 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, 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。 
  

• 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。

损失函数设计：

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 ,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 ，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预测偏一点更不能忍受。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。 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。

• 一个网格预测多个bounding box，在训练时我们希望每个object（ground true box）只有一个bounding box专门负责（一个object 一个bbox）。具体做法是与ground true box（object）的IOU最大的bounding box 负责该ground true box(object)的预测。这种做法称作bounding box predictor的specialization(专职化)。每个预测器会对特定（sizes,aspect ratio or classed of object）的ground true box预测的越来越好。（个人理解：IOU最大者偏移会更少一些，可以更快速的学习到正确位置）

大致流程：

1. Resize成448*448，图片分割得到7*7网格(cell)
2. CNN提取特征和预测：卷积不忿负责提特征。全链接部分负责预测：a) 7*7*2=98个bounding box(bbox) 的坐标 和是否有物体的confidence 。     b) 7*7=49个cell所属20个物体的概率。
3. 过滤bbox（通过nms）

训练：

预训练分类网络 ： 在 ImageNet 1000-class competition dataset上预训练一个分类网络，这个网络是Figure3中的前20个卷机网络+average-pooling layer+ fully connected layer （此时网络输入是224*224）。

训练检测网络：转换模型去执行检测任务，《Object detection networks on convolutional feature maps》提到说在预训练网络中增加卷积和全链接层可以改善性能。在他们例子基础上添加4个卷积层和2个全链接层，随机初始化权重。检测要求细粒度的视觉信息，所以把网络输入也又224*224变成448*448。见Figure3。

• 一幅图片分成7x7个网格(grid cell)，某个物体的中心落在这个网格中此网格就负责预测这个物体。
  
  

• 最后一层输出为 （7*7）*30的维度。每个 1*1*30的维度对应原图7*7个cell中的一个，1*1*30中含有类别预测和bbox坐标预测。总得来讲就是让网格负责类别信息，bounding box主要负责坐标信息(部分负责类别信息：confidence也算类别信息)。具体如下：

  • 每个网格（1*1*30维度对应原图中的cell）要预测2个bounding box （图中黄色实线框）的坐标（,w,h） ，其中：中心坐标的 相对于对应的网格归一化到0-1之间，w,h用图像的width和height归一化到0-1之间。 每个bounding box除了要回归自身的位置之外，还要附带预测一个confidence值。 这个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：confidence = 。其中如果有ground true box(人工标记的物体)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ground truth box之间的IOU值。即：每个bounding box要预测 ,共5个值 ，2个bounding box共10个值，对应 1*1*30维度特征中的前10个。

• • 每个网格还要预测类别信息，论文中有20类。7x7的网格，每个网格要预测2个 bounding box 和 20个类别概率，输出就是 7x7x(5x2 + 20)  。 (通用公式： 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）

测试：

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。
  
  
  • 对每一个网格的每一个bbox执行同样操作： 7x7x2 = 98 bbox  （每个bbox既有对应的class信息又有坐标信息）

• 得到每个bbox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。 

4.YOLO的缺点

• 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，并且只属于一类。

• 对测试图像中，同一类物体出现的新的不常见的长宽比和其他情况是。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。