YOLO算法详解
YOLO全称You Only Look Once: Unified, Real-Time Object Detection，是在CVPR2016提出的一种目标检测算法，核心思想是将目标检测转化为回归问题求解，并基于一个单独的end-to-end网络，完成从原始图像的输入到物体位置和类别的输出。YOLO与Faster RCNN有以下区别：
- Faster RCNN将目标检测分解为分类为题和回归问题分别求解：首先采用独立的RPN网络专门求取region proposal，即计算图1中的 P(objetness)；然后对利用bounding box regression对提取的region proposal进行位置修正，即计算图1中的Box offsets（回归问题）；最后采用softmax进行分类（分类问题）。
- YOLO将物体检测作为一个回归问题进行求解：输入图像经过一次网络，便能得到图像中所有物体的位置和其所属类别及相应的置信概率。
图1 YOLO与Faster RCNN的区别
可以看出，YOLO将整个检测问题整合为一个回归问题，使得网络结构简单，检测速度大大加快；由于网络没有分支，所以训练也只需要一次即可完成。这种“把检测转化为回归问题”的思路非常有效，之后的很多检测算法（包括SSD）都借鉴了此思路。
1. YOLO网络结构
图2 YOLO网络结构（具体网络结构配置：https://github.com/pjreddie/darknet/blob/master/cfg/yolov1/yolo.cfg）
上图2中展示了YOLO的网络结构。相比Faster RCNN，YOLO结构简单而，网络中只包含conv，relu，pooling和全连接层，以及最后用来综合信息的detect层。其中使用了1x1卷积用于多通道信息融合（若不明白1x1卷积请查看上一篇Faster RCNN文章）。
2. YOLO核心思想
图3
YOLO的工作过程分为以下几个过程：
(1) 将原图划分为SxS的网格。如果一个目标的中心落入某个格子，这个格子就负责检测该目标。
(2) 每个网格要预测B个bounding boxes，以及C个类别概率Pr(classi|object)。这里解释一下，C是网络分类总数，由训练时决定。在作者给出的demo中C=20，包含以下类别：
人person、鸟bird、猫cat、牛cow、狗dog
马horse、羊sheep、飞机aeroplane、自行车bicycle
船boat、巴士bus、汽车car、摩托车motorbike
火车train、瓶子bottle、椅子chair、餐桌dining table
盆景potted plant、沙发sofa、显示器tv/monitor
在YOLO中，每个格子只有一个C类别，即相当于忽略了B个bounding boxes，每个格子只判断一次类别，这样做非常简单粗暴。
(3) 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中含有目标的置信度和这个bounding box预测的有多准两重信息：
如果有目标落中心在格子里Pr(Object)=1；否则Pr(Object)=0。 第二项是预测的bounding box和实际的ground truth之间的IOU。
所以，每个bounding box都包含了5个预测量：(x, y, w, h, confidence)，其中(x, y)代表预测box相对于格子的中心，(w, h)为预测box相对于图片的width和height比例，confidence就是上述置信度。需要说明，这里的x, y, w和h都是经过归一化的，之后有解释。
(4) 由于输入图像被分为SxS网格，每个网格包括5个预测量：(x, y, w, h, confidence)和一个C类，所以网络输出是SxSx(5xB+C)大小
(5) 在检测目标的时候，每个网格预测的类别条件概率和bounding box预测的confidence信息相乘，就得到每个bounding box的class-specific confidence score:
显然这个class-specific confidence score既包含了bounding box最终属于哪个类别的概率，又包含了bounding box位置的准确度。最后设置一个阈值与class-specific confidence score对比，过滤掉score低于阈值的boxes，然后对score高于阈值的boxes进行非极大值抑制(NMS, non-maximum suppression)后得到最终的检测框体。
3. YOLO中的Bounding Box Normalization
YOLO在实现中有一个重要细节，即对bounding box的坐标(x, y, w, h)进行了normalization，以便进行回归。作者认为这是一个非常重要的细节。在原文2.2 Traing节中有如下一段：
Our final layer predicts both class probabilities and bounding box coordinates.
We normalize the bounding box width and height by the image width and height so that they fall between 0 and 1.
We parametrize the bounding box x and y coordinates to be offsets of a particular grid cell location so they are also bounded between 0 and 1.
接下来分析一下到底如何实现。
图5 SxS网格与bounding box关系（图中S=7，row=4且col=1）
如图5，在YOLO中输入图像被分为SxS网格。假设有一个bounding box（如图4红框），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，相关解码代码在darknet框架detection_layer.c中的get_detection_boxes()函数，关键部分如下：
boxes[index].x = (predictions[box_index + 0] + col) / l.side * w;
boxes[index].y = (predictions[box_index + 1] + row) / l.side * h;
boxes[index].w = pow(predictions[box_index + 2], (l.sqrt?2:1)) * w;
boxes[index].h = pow(predictions[box_index + 3], (l.sqrt?2:1)) * h;
而w和h就是图像宽高，l.side是上文中提到的S。
4. YOLO训练过程
对于任何一种网络，loss都是非常重要的，直接决定网络效果的好坏。YOLO的Loss函数设计时主要考虑了以下3个方面
(1) bounding box的(x, y, w, h)的坐标预测误差。在检测算法的实际使用中，一般都有这种经验：对不同大小的bounding box预测中，相比于大box大小预测偏一点，小box大小测偏一点肯定更不能被忍受。所以在Loss中同等对待大小不同的box是不合理的。为了解决这个问题，作者用了一个比较取巧的办法，即先对w和h求平方根压缩数值范围，再进行回归。
图6
从后续效果来看，这样做有效，但是没有完全解决问题。
(2) bounding box的confidence预测误差。由于绝大部分网格中不包含目标，导致绝大部分box的confidence=0，所以在设计confidence误差时同等对待包含目标和不包含目标的box也是不合理的，否则会导致模型不稳定。作者在不含object的box的confidence预测误差中乘以惩罚权重 =0.5。
除此之外，同等对待4个值(x, y, w, h)的坐标预测误差与1个值的conference预测误差也不合理，所以作者在坐标预测误差误差之前乘以权重 （至于为什么是5而不是4，我也不知道T_T）。
(3) 分类预测误差。即每个box属于什么类别，需要注意一个网格只预测一次类别，即默认每个网格中的所有B个bounding box都是同一类。所以，YOLO的最终误差为下：
Loss = λcoord * 坐标预测误差 + （含object的box confidence预测误差 + λnoobj * 不含object的box confidence预测误差） + 类别预测误差
=
在各种常用框架中实现网络中一般需要完成forward与backward过程，forward函数只需依照Loss编码即可，而backward函数简需要计算残差delta。这里单解释一下YOLO的负反馈，即backward的实现方法。在UFLDL教程中网络正向传播方式定义为：
而最后一层反向传播残差定义为：
对于YOLO来说，最后一层是detection_layer，而倒数第二层是connected_layer（全连接层），之间没有ReLU层，即相当于最后一层的激活函数为：
那么，对于detection_layer的残差就变为：
只需计算每一项的参数训练目标值与网络输出值之差，反向回传即可，与代码对应。其他细节读者请自行分析代码，不再介绍。
5. 进一步理解YOLO
- 在YOLO网络中，首先通过一组CNN提取feature maps
- 然后通过最后一个全连接FC层生成SxSx(5*B+C)=7x7x(5*2+20)=1470长的向量
- 再把1470向量reshape成SxSx(5*B+C)=7x7x30形状的多维矩阵
- 通过解析多维矩阵获得Detection bounding box + Confidence
- 最后对Detection bounding box + Confidence进行Non maximum suppression获得输出
在设置好网络，并进行初始化后，通过forward就可以获得我们需要的SxSx(5*B+C)矩阵，只不过其中数值并不是我们想要的。当经过上述YOLO Loss下的负反馈训练后，显然就可以获得我们SxSx(5*B+C)矩阵，再经过解析+NMS就可以获得输出框了。
从本质上说，Faster RCNN通过对Anchors的判别和修正获得检测框；而YOLO通过强行回归获得检测框。
图8 YOLO Inference
6. 结果分析
在论文中，作者给出了YOLO与Fast RCNN检测结果对比，如下图。YOLO对背景的误判率(4.75%)比Fast RCNN的误判率(13.6%)低很多。但是YOLO的定位准确率较差，占总误差比例的19.0%，而fast rcnn仅为8.6%。这说明了YOLO中把检测转化为回归的思路有较好的precision，但是bounding box的定位方法还需要进一步改进。
图7
综上所述，YOLO有如下特点：
- 快。YOLO将物体检测作为回归问题进行求解，整个检测网络pipeline简单，且训练只需一次完成。
- 背景误检率低。YOLO在训练和推理过程中能“看到”整张图像的整体信息，而基于region proposal的物体检测方法（如Fast RCNN）在检测过程中，只“看到”候选框内的局部图像信息。因此，若当图像背景（非物体）中的部分数据被包含在候选框中送入检测网络进行检测时，容易被误检测成物体[1]。
- 识别物体位置精准性差，√w和√h策略并没有完全解决location准确度问题。
- 召回率低，尤其是对小目标。
---------------------------------------------
参考文献：
[1] YOLO详解，赵丽丽