YOLOv1算法理解

1，YOLOv1算法的简介

YOLO算法使用深度神经网络进行对象的位置检测以及分类，主要的特点是速度够快，而且准确率也很高，采用直接预测目标对象的边界框的方法，将候选区和对象识别这两个阶段合二为一，

与faster rcnn区分开来，是一刀流的检测方法。

Yolo算法不再是窗口滑动了，而是直接将原始图片分割成互不重合的小方块，然后通过卷积最后生产这样大小的特征图，基于上面的分析，可以认为特征图的每个元素也是对应原始图片的一个小

方块，然后用每个元素来可以预测那些中心点在该小方格内的目标，这就是Yolo算法的朴素思想，

最新的YOLOv3算法再以往的结构上做出了改进，增加了多尺度检测，以及更深的网络结构darknet53,这是比较主要的改进，还有某些细节上的变动。

 

2，YOLOv1算法的原理

 

实际操作如图所示，分为7*7个小格子，每个格子预测两个bounding box。

如果一个目标的中心落入一个网格单元中，该网格单元负责检测 该目标。

对每一个切割的小单元格预测（置信度，边界框的位置），每个bounding box需要4个数值来表示其位置，(Center_x,Center_y,width,height)，即(bounding box的中心点的x坐标，y坐标，bounding box的宽度，高度)

置信度定义为是否存在目标与iou值的乘积，

 

还要得到分类的概率结果；20个分类每个类别的概率。

7*7*30中的30=（20类概率+2*5（置信度，边框位置））

 

 

 2.1    YOLOv1的网络结构

YOLO采用单个的卷积神经网络进行预测，YOLO的整个结构就是输入图片经过神经网络的变换得到一个输出的张量 。   步骤如下：

（1）将输入图像调整为448×448，（2）在图像 上运行单个卷积网络，以及（3）由模型的置信度对所得到的检测进行阈值处理

首先，YOLO速度非常快。由于我们将检测视为回归问题，所以不需要复杂的流程。测试时在一张新图像 上简单的运行我们的神经网络来预测检测

其次，YOLO在进行预测时，会对图像进行全面地推理。与基于滑动窗口和区域提出的技术不同，YOLO在训练期间和测试时会看到整个图像，所以它隐式地编码了

关于类的上下文信息以及它们的外观。快速R-CNN是一种顶级的检测方法，但是它看不到更大的上下文信息，所以在图像中会将背景块误检为目标。与快速R-CNN相比，YOLO的背景误检数量少了一半

然后，由于YOLO具有高度泛化能力，因此在应用于新领域或碰到意外的输入时不太可能出故障。

 

所使用的卷积结构如图所示：受到GoogLeNet图像分类模型的启发。网络有24个卷积层，后面是2个全连接层，最后输出层用线性函数做激活函数，其它层激活函数都是Leaky ReLU。

我们 只使用1*1降维层，后面是3*3卷积层，

 

3, YOLOv1的损失函数和训练过程

YOLO的损失函数定义如下：

 

YOLO在ImageNet分类任务上以一半的分辨率（224*224的输入图像）预训练卷积层，然后将分辨 率加倍来进行检测。

训练中采用了drop out和数据增强（data augmentation）来防止过拟合.

4.    预测过程以及结果的处理

直接把训练好的YOLO网络模型输入一张图片，得到一个7*7*30的结果向量，通过NMS（非极大值抑制）来选择最终的结果；

NMS就是通过打分来选出最好的结果，与这个结果重叠的对象去掉，是一个不断迭代的过程。

                                                          score = 某个对象的概率 * 置信度

 

所以对于每个网格有20*2个得分，每个对象有49*2个得分；这里的2是bounding box的个数；

具体的过程是：

1，设置一个分数阈值，低于的直接置为0；

2，遍历对于每个对象：

         选出分数最高的那个及其bounding box放到输出列表中；

         将其他的与上面选出的分数最高的那个计算IOU，设置一个阈值，大于阈值的表示重叠度较高，把分数置为0；

         如果所有的bounding box都在输出列表中或者分数为0，那么这个对象的NMS就结束

     对接下来的对象执行此过程

3.得出输出结果；

 

 4. YOLOv1的特点总结

YOLO的一个贡献是将检测问题转化为了回归问题，相信这句话很多人见过很多次了。那到底是什么意思呢？指的就是之前faster RCNN是先分两步，

先提取region proposal，也就是判断是前景还是背景的问题，之后再分类，具体看前景是什么东西。而YOLO直接通过regression一次既产生坐标，又产生每种类别的概率。

YOLO的特点在于快，其中一方面来源于regression机制，还有一个原因就在于region proposal的提取过程了。再YOLO中很少提region proposal的概念，

但是为了类比faster RCNN我们可以这样理解，YOLO中粗暴地分成了7X7的网格，每个位置默认可能属于2个object，那么事实上就是提取了98个region proposal，

而faster RCNN是一种滑动窗口机制，每个feature map上都回归出9个anchor，大约一共20k个anchor，在通过非极大值抑制等方法最终会得到300个region proposal。

两者之间候选框差别巨大，因此，faster RCNN会准一点也是情理之中，而既然每个位置都要精修，当然效率就会低很多，也就不能满足实时性要求了。另外，YOLO

精简了网络，比VGG要稍微计算量小一些，可能也会加快一些速度，但这些计算量比起前面提到的两点已经不足为道。

YOLO对边界框预测强加空间约束，因为每个网格单元只预测两个盒子，只能有一个类别。这个空间约束限制了我 们的模型可以预测的邻近目标的数量。我们的模型与群组中出现的小物体（比如鸟群）进行斗争。