YOLOv3算法详解

论文地址:https://pjreddie.com/media/files/papers/YOLOv3.pdf

YOLO系列的目标检测算法真的非常赞!这篇博客就来介绍YOLO v3算法的内容,因为涉及到v1和v2的一些思想,所以可以先熟悉下:YOLO v1算法详解,YOLO v2算法详解。

YOLO算法的基本思想是:首先通过特征提取网络对输入图像提取特征,得到一定size的feature map,比如13*13,然后将输入图像分成13*13个grid cell,接着如果ground truth中某个object的中心坐标落在哪个grid cell中,那么就由该grid cell来预测该object,因为每个grid cell都会预测固定数量的bounding box(YOLO v1中是2个,YOLO v2中是5个,YOLO v3中是3个,这几个bounding box的初始size是不一样的),那么这几个bounding box中最终是由哪一个来预测该object?答案是:这几个bounding box中只有和ground truth的IOU最大的bounding box才是用来预测该object的。可以看出预测得到的输出feature map有两个维度是提取到的特征的维度,比如13*13,还有一个维度(深度)是B*(5+C),注:YOLO v1中是(B*5+C),其中B表示每个grid cell预测的bounding box的数量,比如YOLO v1中是2个,YOLO v2中是5个,YOLO v3中是3个,C表示bounding box的类别数(没有背景类,所以对于VOC数据集是20),5表示4个坐标信息和一个置信度(objectness score)。

算法在速度和精度上的提升可以看Figure1。
YOLOv3算法详解_第1张图片

bounding box的坐标预测方式还是延续了YOLO v2的做法,简单讲就是下面这个截图的公式,tx、ty、tw、th就是模型的预测输出。cx和cy表示grid cell的坐标,比如某层的feature map大小是13*13,那么grid cell就有13*13个,第0行第1列的grid cell的坐标cx就是0,cy就是1。pw和ph表示预测前bounding box的size。bx、by。bw和bh就是预测得到的bounding box的中心的坐标和size。坐标的损失采用的是平方误差损失。
YOLOv3算法详解_第2张图片

类别预测方面主要是将原来的单标签分类改进为多标签分类,因此网络结构上就将原来用于单标签多分类的softmax层换成用于多标签多分类的逻辑回归层。首先说明一下为什么要做这样的修改,原来分类网络中的softmax层都是假设一张图像或一个object只属于一个类别,但是在一些复杂场景下,一个object可能属于多个类,比如你的类别中有woman和person这两个类,那么如果一张图像中有一个woman,那么你检测的结果中类别标签就要同时有woman和person两个类,这就是多标签分类,需要用逻辑回归层来对每个类别做二分类。逻辑回归层主要用到sigmoid函数,该函数可以将输入约束在0到1的范围内,因此当一张图像经过特征提取后的某一类输出经过sigmoid函数约束后如果大于0.5,就表示属于该类。

YOLO v3采用多个scale融合的方式做预测。原来的YOLO v2有一个层叫:passthrough layer,假设最后提取的feature map的size是13*13,那么这个层的作用就是将前面一层的26*26的feature map和本层的13*13的feature map进行连接,有点像ResNet。当时这么操作也是为了加强YOLO算法对小目标检测的精确度。这个思想在YOLO v3中得到了进一步加强,在YOLO v3中采用类似FPN的upsample和融合做法(最后融合了3个scale,其他两个scale的大小分别是26*26和52*52),在多个scale的feature map上做检测,对于小目标的检测效果提升还是比较明显的。前面提到过在YOLO v3中每个grid cell预测3个bounding box,看起来比YOLO v2中每个grid cell预测5个bounding box要少,其实不是!因为YOLO v3采用了多个scale的特征融合,所以boundign box的数量要比之前多很多,以输入图像为416*416为例:(13*13+26*26+52*52)*3和13*13*5相比哪个更多应该很清晰了。

关于bounding box的初始尺寸还是采用YOLO v2中的k-means聚类的方式来做,这种先验知识对于bounding box的初始化帮助还是很大的,毕竟过多的bounding box虽然对于效果来说有保障,但是对于算法速度影响还是比较大的。作者在COCO数据集上得到的9种聚类结果:(10*13); (16*30); (33*23); (30*61); (62*45); (59*119); (116*90); (156*198); (373*326),这应该是按照输入图像的尺寸是416*416计算得到的。

网络结构(Darknet-53)一方面基本采用全卷积(YOLO v2中采用pooling层做feature map的sample,这里都换成卷积层来做了),另一方面引入了residual结构(YOLO v2中还是类似VGG那样直筒型的网络结构,层数太多训起来会有梯度问题,所以Darknet-19也就19层,因此得益于ResNet的residual结构,训深层网络难度大大减小,因此这里可以将网络做到53层,精度提升比较明显)。Darknet-53只是特征提取层,源码中只使用了pooling层前面的卷积层来提取特征,因此multi-scale的特征融合和预测支路并没有在该网络结构中体现,具体信息可以看源码:https://github.com/pjreddie/darknet/blob/master/cfg/yolov3.cfg。预测支路采用的也是全卷积的结构,其中最后一个卷积层的卷积核个数是255,是针对COCO数据集的80类:3*(80+4+1)=255,3表示一个grid cell包含3个bounding box,4表示框的4个坐标信息,1表示objectness score。模型训练方面还是采用原来YOLO v2中的multi-scale training。
YOLOv3算法详解_第3张图片

Table2是几个网络在ImageNet数据集上的性能和精度对比。可以看出Darknet-53的性能还是非常不错的。
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YOLO v3的实验结果对比可以看Table3。原来YOLO v2对于小目标的检测效果是比较差的,通过引入多尺度特征融合的方式,可以看出YOLO v3的APS要比YOLO v2的APS高出不少。
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最后这张图非常有意思,直接用All the other slow ones来代表其他算法,实实在在展现了本篇文章随性的风格。
YOLOv3算法详解_第6张图片

最后贴一份参考资料:https://blog.paperspace.com/tag/series-yolo/,其中part1是介绍YOLO算法相关的基础知识,part2到part5是介绍如何用PyTorch实现YOLO v3算法,非常推荐。

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