【个人整理】目标检测框架yolo v1深入剖析

前言： faster-RCNN在目标检测精度上已经能够达到一个很高的水准，但是作为RCNN系列的最巅峰，它提出了RPN网络产生推荐性区域，但是它依旧有着一些缺点，这些区域里面有大面积是重合的，影响了计算效率。为了更好地提升目标检测的计算效率，从DPM检测中获得了相关的灵感，于是yolo网络应运而生，现在yolo网络已经有了很多的版本，yolo v1、yolo v2、yolo v3、fast yolo 等系列算法，本文针对最原始的yolo v1算法。

目录

一、初识yolo

二、目标检测相关背景知识

三、yolo算法详解

    3.1 yolo的核心设计思想

        3.1.1 什么是格子的置信度confidence score？

        3.1.2 什么是物体的概率probability？

        3.1.3 每一个grid的输出数据维度的对应关系

        3.1.4 yolo原理的运算过程展示

    3.2 yolo网络的设计架构

    3.3 yolo损失函数的设计

    3.4 yolo网络的训练

    3.5 yolo网络的测试——class-specific confidence score

    3.6 yolo网络的结果展示

    3.7 yolo的主要特点总结

一、初识yolo

        YOLO（You Only Look Once）是CVPR2016的一篇文章，yolo的全称是《You Only Look Once: Unified, Real-Time Object Detection》，这是rbg（Ross Girshick）大神继RCNN，fast-RCNN 和 faster-RCNN之后的又一创作，通过名字我们可以看出本文的设计思想——“你只需要看一次” 。的确相比于前面的RCNN系列思想，它不用对大量重复的RP区域进行操作，所以yolo解决了深度学习目标检测中一个大痛点，就是速度问题。 
其增强版本GPU（Titan X ）中能跑45fps（即每秒识别45张图，这速度已经很快了），简化版本155fps。

从它的论文名字中就可以得出几个非常重要的思想：

（1）组需要看一次。即对图片只需要扫描一次即可；

（2）unified。这是单位化的意思，究竟是对什么单位化，后面会讲到。

（3）real-time。实时运算。

二、目标检测相关背景知识

         在介绍yolo之前，首先引入一下目标检测的进展，yolo之前的目标检测一般是如何做的呢？有两个代表：DPM以及RCNN系列 
（1）DPM：即Deformable Parts Model,它利用sliding window，提取特征(SIFT等)，进行比对 。DPM算法由Felzenszwalb于2008年提出，是一种基于部件的检测方法，对目标的形变具有很强的鲁棒性。目前DPM已成为众多分类、分割、姿态估计等算法的核心部分，Felzenszwalb本人也因此被VOC授予"终身成就奖"。
（2）RCNN: 利用region proposal方法提取，利用网络进行分类，并进行坐标回归预测，参见前面的博文。

         那是如何根据DPM和RCNN系列的相关思想提出了yolo这样的设计理念的呢？        

（1）首先先介绍一下滑动窗口sliding window技术，这Yolo算法思想的直接来源。采用滑动窗口的目标检测算法思路非常简单，它将检测问题转化为了图像分类问题。其基本原理就是采用不同大小和比例（宽高比）的窗口在整张图片上以一定的步长进行滑动，然后对这些窗口对应的区域做图像分类，这样就可以实现对整张图片的检测了，如下图所示：

         如DPM就是采用这种思路。但是这个方法有致命的缺点，就是你并不知道要检测的目标大小是什么规模，所以你要设置不同大小和比例的窗口去滑动，而且还要选取合适的步长。但是这样会产生很多的子区域，并且都要经过分类器去做预测，这需要很大的计算量，所以你的分类器不能太复杂，因为要保证速度。

（2）滑动窗口产生的子区域太多了该怎么过滤一些不太需要的其区域呢？解决思路之一就是减少要分类的子区域，这就是R-CNN的一个改进策略，其采用了selective search方法来找到最有可能包含目标的子区域（Region Proposal），其实可以看成采用启发式方法过滤掉很多子区域，这会提升效率。但是我们知道RCNN系列文章所产生的推荐区域还是有2000个左右，所以这个计算量依然很大，很难实现实时运算。
       Yolo算法的思想来源虽然是sliding window ，但是它不再是窗口滑动了，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。

三、yolo算法详解

3.1 yolo的核心设计思想

        yolo最大的创新点在于改革了区域建议框式检测框架: RCNN系列均需要生成建议框，在建议框上进行分类与回归，但建议框之间有重叠，这会带来很多重复工作。YOLO将全图划分为SXS的格子，每个格子负责中心在该格子的目标检测，采用一次性预测所有格子所含目标的bbox、定位置信度以及所有类别概率向量来将问题一次性解决(one-shot)。

       将一张图片分成S*S个格子之后，每一个格子具备以下几个关联属性

（1）每一个格子的bounding box，即（x,y,w,h）,x,y为格子的中心位置，w,h为格子的宽和高；

（2）每一个格子包含物体的置信度confidence score，简称confidence；

（3）格子中是某一个物体的概率probability；

下面将分别对每一个属性进行说明：

3.1.1 什么是格子的置信度confidence score？

这个 confidence scores反映了模型对于这个栅格的预测，confidence score包含了两个方面——即该栅格是否含有物体，以及这个box的坐标预测的有多准（多准是通过IOU定义的，IOU越大，说明越准，IOU越小说明越不准）。 
公式定义如下： 

这个公式是什么意思呢？
如果这个栅格中不存在一个 object，即Pr(Object)=0,既然都不存在物体，自然也不存在什么IOU了，则confidence score应该为0；如果存在物体的话，则Pr(Object)=1,此时confidence score则为 predicted bounding box与 ground truth box之间的IOU（intersection over union）

注意：yolo默认情况才S=7，即分割成S*S=49个grid，然后对每个gird，预测B个（bounding box + confidence）（B默认为2）,如果不存在物体，则confidence为0，否则期望其为IOU，bounding box为：[x,y,w,h]其中(x,y)为object中心点坐标

备注：这里为什么要对每一个grid预测B个（x,y,w,h,confidence），由于每个单元格预测多个边界框（即文中的B，B取值为2）。但是其对应类别只有一个。那么在训练时，如果该单元格内确实存在目标，那么只选择与ground truth的IOU最大的那个边界框来负责预测该目标，而其它边界框认为不存在目标。这样设置的一个结果将会使一个单元格对应的边界框更加专业化，其可以分别适用不同大小，不同高宽比的目标，从而提升模型性能。

3.1.2 什么是物体的概率probability？

每一个栅格grid还要预测C个 conditional class probability（条件类别概率），即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。 作者在VOC上实验，所以C取为20（这里为什么不是类似Fast RCNN的21类，因为是否为背景，作者放到了上面的confidence中）

3.1.3 每一个grid的输出数据维度的对应关系

通过上面的3.2.1和3.2.2的说明，我们对每一个grid的预测会产生下面一些数据

（每一个grid）——>（x,y,w,h,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，即上面的confidence score。

3.1.4 yolo原理的运算过程展示

注：本图来源于一篇博客文站，感觉对于理解yolo非常有帮助，就粘贴过来了。

上图展示的是那个“红色的grid”预测的两个不同的“黄色边框”，每一个边框所携带的信息是5维，故而产生了10维向量。

再参考一个图片如下：

上图中前面的两个红色圈圈就不说了，表示的每一个grid预测的两个box的信息，共10维，后面的20维是每一个类别的概率，最后一共组成30维的向量。

那么整张图片下来，运算过程如下：

注意：在原始论文中将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grid，每一个栅格grid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）。 

则一张图片的输出数据维度为：S*S*{B*5+C}

即7*7*（2*5+10）=49*30   维度

这里的5指的是（x,y,w,h,confidence）。

最后，大致的实现过程是这样子的：

3.2 yolo网络的设计架构

上面介绍了理论上的设计思想，但是yolo网络的结构究竟是怎么样的，到底是如何实现的呢？

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（灵感来源于GoogLeNet，但是并没有采取其inception的结构），包含24个卷积层和2个全连接层，如下图所示：

对于卷积层，主要使用1x1卷积来做channle reduction，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。网络的参数如下：

yolo网络的创新设计点：

（1）yolo的基础网络灵感来源于GoogLeNet，但是并没有采取其inception的结构，而是简单的使用了1×1的卷积核。基础模型中l共有24个卷积层，后面接2个全连接层；

（2）yolo并没有使用Relu激活函数，而是使用了leaky rectified linear激活函数；

补充：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。

3.3 yolo损失函数的设计

       在实现中，最主要的就是怎么设计损失函数，作者简单粗暴的全部采用了sum-squared-error loss（即平方损失）来做这件事。 但是需要注意的是对不同的部分采用了不同的权重值。首先区分定位误差和分类误差。

对于定位误差，即边界框坐标预测误差，采用较大的权重。 另外一点时，由于每个单元格预测多个边界框（即文中的B，B取值为2）。但是其对应类别只有一个。那么在训练时，如果该单元格内确实存在目标，那么只选择与ground truth的IOU最大的那个边界框来负责预测该目标，而其它边界框认为不存在目标。这样设置的一个结果将会使一个单元格对应的边界框更加专业化，其可以分别适用不同大小，不同高宽比的目标，从而提升模型性能。（这就是为什么要对每一个grid预测B个（x,y,w,h,confidence）的原因了）。综上所述，最终的损失函数如下所示：

 

注意：这个损失函数的设计是有讲究的，主要需要注意一下几个点：

（1）为什么w、h那个地方要加一个根号？

        对宽高都进行开根是为了使大小差别比较大的边界框差别减小。例如，一个同样将一个100x100的目标与一个10x10的目标都预测大了10个像素，预测框为110 x 110与20 x 20。显然第一种情况我们还可以失道接受，但第二种情况相当于把边界框预测大了一倍，但是从绝对数值上来看，他们都是只扩大了10个像素嘛，但是前者之扩大0.1倍，后者却扩大了1倍，解决方法就是使用根号函数，那么损失相同，都为200。但把宽高都增加根号时：

从上面的式子可以看出，显然，对小框预测偏差10个像素带来了更高的损失。通过增加根号，使得预测相同偏差与更小的框产生更大的损失。但根据YOLOv2的实验证明，还有更好的方法解决这个问题，这就后面的文章再说吧。

(2)另外一个问题就是由于损失函数是由几部分组成的，如果每一个的权重都是一样的，这是不合理的。更重要的是，对于一个grid而言，

• 若有物体落入边界框中，则计算预测边界框含有物体的置信度Ci真实物体与边界框IoUCi的损失，我们希望两差值越小损失越低。
• 若没有任何物体中心落入边界框中，则 IoUCi为0，此时我们希望预测含有物体的置信度Ci越小越好。然而，大部分边界框都没有物体，积少成多，造成loss的第3部分与第4部分的不平衡

这里的两个问题会导致网络不稳定甚至发散 ，解决方法就是：

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。 

3.4 yolo网络的训练

yolo的训练过程是分为几个过程实现的

（1）预训练分类网络。 在 ImageNet 1000-class competition dataset上预训练一个分类网络，这个网络是前面yolo网络结构中的前20个卷机网络+average-pooling layer+ fully connected layer （此时网络输入是224*224）。它是作为Pretrain 的网络。训练大约一周的时间，使得在ImageNet 2012的验证数据集Top-5的精度达到 88%，这个结果跟 GoogleNet 的效果相当。
（2）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。

上面的中间的用大括号括起来的是新增加的网络结构。由于检测任务一般需要更高清的图片，检测要求细粒度的视觉信息，所以将网络的输入从224x224增加到了448x448，

训练的超参数设置：

data : VOC2007以及VOC2012 
epoch : 135 
batchsize:64 
momentum:0.9 
decay:0.0005 
learning rae schedule: 前75个epoch 10e-2,然后30个epoch 10e-3,最后30个epoch 10e-4
 

3.5 yolo网络的测试——class-specific confidence score

         在测试的时候，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。

即：

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。这个乘积既了预测的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。

3.6 yolo网络的结果展示

（1）花费时间以及mAP的对比

 （2）网络架构的的对比

（3）综合性能对比

实验表明，YOLO的精度不高（略低于faster R-CNN）但是对于background的错检率要高于fast rcnn。

3.7 yolo的主要特点总结

（1）只看一次。划分成S*S的区域，不用大量的重复候选框，大大节省了运算效率。yolo不同于sliding window以及region proposal方法在训练和检测的时候只能看到局部图像，而yolo可以看到全局图像,(这也是导致后面实验中Fast R-CNN的将背景检测错误的概率要高于yolo的原因) 

（2）end to end 。实现端到端的实现，满足实时运算的基本要求

（3）不再是分类和回归的多任务，统一成regression。不再需要分别做候选区域的分类和位置回归了，而是统一当成一个回归regression问题来做，

优点总结：

（1）yolo很快，在 Titan X GPU上训练，基础的yolo可以达到 45 frames per seconds , fast yolo 可以达到155 frames per seconds,

（2）Yolo采用一个CNN网络来实现检测，是单管道策略，其训练与预测都是end-to-end，所以Yolo算法比较简洁且速度快。

（3）由于Yolo是对整张图片做卷积，所以其在检测目标有更大的视野，它不容易对背景误判。其实我觉得全连接层也是对这个有贡献的，因为全连接起到了attention的作用。

（4）Yolo的泛化能力强，在做迁移时，模型鲁棒性高。正因为yolo具有较强的泛化能力,对于艺术品同样具有较好的检测效果

缺点总结：

（1）小物体的识别准确率低。首先Yolo各个单元格仅仅预测两个边界框，而且属于一个类别。对于小物体，Yolo的表现会不如人意。这方面的改进可以看SSD，其采用多尺度单元格。也可以看Faster R-CNN，其采用了anchor boxes。Yolo对于在物体的宽高比方面泛化率低，就是无法定位不寻常比例的物体。

（2）Yolo的定位不准确也是很大的问题。检测的位置不是特别准确。

（3）当一个单元格内存在多个目标怎么办，其实这时候Yolo算法就只能选择其中一个来训练，这也是Yolo算法的缺点之一。要注意的一点时，对于不存在对应目标的边界框，其误差项就是只有置信度，左标项误差是没法计算的。而只有当一个单元格内确实存在目标时，才计算分类误差项，否则该项也是无法计算的。