转自:https://xmfbit.github.io/2018/04/01/paper-yolov3/
YOLO的作者又放出了V3版本,在之前的版本上做出了一些改进,达到了更好的性能。这篇博客介绍这篇论文:YOLOv3: An Incremental Improvement。下面这张图是YOLO V3与RetinaNet的比较。
可以使用搜索功能,在本博客内搜索YOLO前作的论文阅读和代码。
YOLO v3在保持其一贯的检测速度快的特点前提下,性能又有了提升:输入图像为320×320320×320大小的图像,可以在2222ms跑完,mAP达到了28.228.2,这个数据和SSD相同,但是快了33倍。在TitanX上,YOLO v3可以在5151ms内完成,AP50AP50的值为57.957.9。而RetinaNet需要198198ms,AP50AP50近似却略低,为57.557.5。
AP就是average precision啦。在detection中,我们认为当预测的bounding box和ground truth的IoU大于某个阈值(如取为0.50.5)时,认为是一个True Positive。如果小于这个阈值,就是一个False Positive。
所谓precision,就是指检测出的框框中有多少是True Positive。另外,还有一个指标叫做recall,是指所有的ground truth里面,有多少被检测出来了。这两个概念都是来自于classification问题,通过设定上面IoU的阈值,就可以迁移到detection中了。
我们可以取不同的阈值,这样就可以绘出一条precisio vs recall的曲线,计算曲线下的面积,就是AP值。COCO中使用了0.5:0.05:0.95
十个离散点近似计算(参考COCO的说明文档网页)。detection中常常需要同时检测图像中多个类别的物体,我们将不同类别的AP求平均,就是mAP。
如果我们只看某个固定的阈值,如0.5,计算所有类别的平均AP,那么就用AP50来表示。所以YOLO v3单拿出来AP50说事,是为了证明虽然我的bounding box不如你RetinaNet那么精准(IoU相对较小),但是如果你对框框的位置不是那么敏感(0.5 的阈值很多时候够用了),那么我是可以做到比你更好更快的。
这里和原来v2基本没区别。仍然使用聚类产生anchor box的长宽(下式的pw和ph)。网络预测四个值:tx,ty,tw,th。我们知道,YOLO网络最后输出是一个M×M的feature map,对应于M×M个cell。如果某个cell距离image的top left corner距离为(cx,cy)(也就是cell的坐标),那么该cell内的bounding box的位置和形状参数为:
PS:这里有一个问题,不管FasterRCNN还是YOLO,都不是直接回归bounding box的长宽(就像这样:bw=pwt′w),而是要做一个对数变换,实际预测的是 log(⋅)。这里小小解释一下。
这是因为如果不做变换,直接预测相对形变t′w,那么要求t′w>0,因为你的框框的长宽不可能是负数。这样,是在做一个有不等式条件约束的优化问题,没法直接用SGD来做。所以先取一个对数变换,将其不等式约束去掉,就可以了。
在训练的时候,使用平方误差损失。
另外,YOLO会对每个bounding box给出是否是object的置信度预测,用来区分objects和背景。这个值使用logistic回归。当某个bounding box与ground truth的IoU大于其他所有bounding box时,target给
1;如果某个bounding box不是IoU最大的那个,但是IoU也大于了某个阈值(我们取
0.5),那么我们忽略它(既不惩罚,也不奖励),这个做法是从Faster RCNN借鉴的。我们对每个ground truth只分配一个最好的bounding box与其对应(这与Faster RCNN不同)。如果某个bounding box没有倍assign到任何一个ground truth对应,那么它对边框位置大小的回归和class的预测没有贡献,我们只惩罚它的objectness,即试图减小其confidence。
我们不用softmax做分类了,而是使用独立的logisitc做二分类。这种方法的好处是可以处理重叠的多标签问题,如Open Image Dataset。在其中,会出现诸如Woman
和Person
这样的重叠标签。
之前YOLO的一个弱点就是缺少多尺度变换,使用FPN中的思路,v3在
3个不同的尺度上做预测。在COCO上,我们每个尺度都预测
3个框框,所以一共是
9个。所以输出的feature map的大小是
N×N×[3×(4+1+80)]。
然后我们从两层前那里拿feature map,upsample 2x,并与更前面输出的feature map通过element-wide的相加做merge。这样我们能够从后面的层拿到更多的高层语义信息,也能从前面的层拿到细粒度的信息(更大的feature map,更小的感受野)。然后在后面接一些conv做处理,最终得到和上面相似大小的feature map,只不过spatial dimension变成了2倍。
照上一段所说方法,再一次在final scale尺度下给出预测。
在v3中,作者新建了一个名为yolo
的layer,其参数如下:
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[yolo]
mask = 0,1,2
## 9组anchor对应9个框框
anchors = 10,13, 16,30, 33,23, 30,61, 62,45, 59,119, 116,90, 156,198, 373,326
classes=20 ## VOC20类
num=9
jitter=.3
ignore_thresh = .5
truth_thresh = 1
random=1
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打开yolo_layer.c
文件,找到forward
部分代码。可以看到,首先,对输入进行activation。注意,如论文所说,对类别进行预测的时候,没有使用v2中的softmax或softmax tree,而是直接使用了logistic变换。
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for (b =
0; b < l.batch; ++b){
for(n =
0; n < l.n; ++n){
int index = entry_index(l, b, n*l.w*l.h,
0);
// 对 tx, ty进行logistic变换
activate_array(l.output + index,
2*l.w*l.h, LOGISTIC);
index = entry_index(l, b, n*l.w*l.h,
4);
// 对confidence和C类进行logistic变换
activate_array(l.output + index, (
1+l.classes)*l.w*l.h, LOGISTIC);
}
}
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我们看一下如何计算梯度。
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for (j =
0; j < l.h; ++j) {
for (i =
0; i < l.w; ++i) {
for (n =
0; n < l.n; ++n) {
// 对每个预测的bounding box
// 找到与其IoU最大的ground truth
int box_index = entry_index(l, b, n*l.w*l.h + j*l.w + i,
0);
box pred = get_yolo_box(l.output, l.biases, l.mask[n], box_index, i, j, l.w, l.h, net.w, net.h, l.w*l.h);
float best_iou =
0;
int
best_t =
0;
for(t =
0; t < l.max_boxes; ++t){
box truth = float_to_box(net.truth + t*(
4 +
1) + b*l.truths,
1);
if(!truth.x)
break;
float iou = box_iou(pred, truth);
if (iou > best_iou) {
best_iou = iou;
best_t = t;
}
}
int obj_index = entry_index(l, b, n*l.w*l.h + j*l.w + i,
4);
avg_anyobj += l.output[obj_index];
// 计算梯度
// 如果大于ignore_thresh, 那么忽略
// 如果小于ignore_thresh,target = 0
// diff = -gradient = target - output
// 为什么是上式,见下面的数学分析
l.delta[obj_index] =
0 - l.output[obj_index];
if (best_iou > l.ignore_thresh) {
l.delta[obj_index] =
0;
}
// 这里仍然有疑问,为何使用truth_thresh?这个值是1
// 按道理,iou无论如何不可能大于1啊。。。
if (best_iou > l.truth_thresh) {
// confidence target = 1
l.delta[obj_index] =
1 - l.output[obj_index];
int
class = net.truth[
best_t*(
4 +
1) + b*l.truths +
4];
if (l.
map)
class = l.
map[
class];
int class_index = entry_index(l, b, n*l.w*l.h + j*l.w + i,
4 +
1);
// 对class进行求导
delta_yolo_class(l.output, l.delta, class_index,
class, l.classes, l.w*l.h,
0);
box truth = float_to_box(net.truth +
best_t*(
4 +
1) + b*l.truths,
1);
// 对box位置参数进行求导
delta_yolo_box(truth, l.output, l.biases, l.mask[n], box_index, i, j, l.w, l.h, net.w, net.h, l.delta, (
2-truth.w*truth.h), l.w*l.h);
}
}
}
}
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我们首先来说一下为何confidence(包括后面的classification)的diff
计算为何是target - output
的形式。对于logistic regression,假设logistic函数的输入是o=f(x;θ) 。其中,θθ是网络的参数。那么输出y=h(o),其中hh指logistic激活函数(或sigmoid函数)。那么,我们有:
写出对数极大似然函数,我们有:
为了使用SGD,上式两边取相反数,我们有损失函数:
对第ii个输入oi求导,我们有:
其中,
hi即为logistic激活后的输出, yi为target。由于YOLO代码中均使用diff
,也就是
-gradient
,所以有
delta = target - output
。
关于logistic回归,还可以参考我的博客:CS229 简单的监督学习方法。
下面,我们看下两个关键的子函数,delta_yolo_class
和delta_yolo_box
的实现。
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// class是类别的ground truth
// classes是类别总数
// index是feature map一维数组里面class prediction的起始索引
void delta_yolo_class(float *output, float *delta, int index,
int
class,
int classes,
int stride,
float *avg_cat) {
int n;
// 这里暂时不懂
if (delta[index]){
delta[index + stride*
class] =
1 - output[index + stride*
class];
if(avg_cat) *avg_cat += output[index + stride*
class];
return;
}
for(n =
0; n < classes; ++n){
// 见上,diff = target - prediction
delta[index + stride*n] = ((n ==
class)?
1 :
0) - output[index + stride*n];
if(n ==
class && avg_cat) *avg_cat += output[index + stride*n];
}
}
// box delta这里没什么可说的,就是square error的求导
float delta_yolo_box(box truth, float *x, float *biases, int n,
int index,
int i,
int j,
int lw,
int lh,
int w,
int h,
float *delta,
float scale,
int stride) {
box pred = get_yolo_box(x, biases, n, index, i, j, lw, lh, w, h, stride);
float iou = box_iou(pred, truth);
float tx = (truth.x*lw - i);
float ty = (truth.y*lh - j);
float tw =
log(truth.w*w / biases[
2*n]);
float th =
log(truth.h*h / biases[
2*n +
1]);
delta[index +
0*stride] = scale * (tx - x[index +
0*stride]);
delta[index +
1*stride] = scale * (ty - x[index +
1*stride]);
delta[index +
2*stride] = scale * (tw - x[index +
2*stride]);
delta[index +
3*stride] = scale * (th - x[index +
3*stride]);
return iou;
}
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上面,我们遍历了每一个prediction的bounding box,下面我们还要遍历每个ground truth,根据IoU,为其分配一个最佳的匹配。
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// 遍历ground truth
for(t =
0; t < l.max_boxes; ++t){
box truth = float_to_box(net.truth + t*(
4 +
1) + b*l.truths,
1);
if(!truth.x)
break;
// 找到iou最大的那个bounding box
float best_iou =
0;
int best_n =
0;
i = (truth.x * l.w);
j = (truth.y * l.h);
box truth_shift = truth;
truth_shift.x = truth_shift.y =
0;
for(n =
0; n < l.total; ++n){
box pred = {
0};
pred.w = l.biases[
2*n]/net.w;
pred.h = l.biases[
2*n+
1]/net.h;
float iou = box_iou(pred, truth_shift);
if (iou > best_iou){
best_iou = iou;
best_n = n;
}
}
int mask_n = int_index(l.mask, best_n, l.n);
if(mask_n >=
0){
int box_index = entry_index(l, b, mask_n*l.w*l.h + j*l.w + i,
0);
float iou = delta_yolo_box(truth, l.output, l.biases, best_n,
box_index, i, j, l.w, l.h, net.w, net.h, l.delta,
(
2-truth.w*truth.h), l.w*l.h);
int obj_index = entry_index(l, b, mask_n*l.w*l.h + j*l.w + i,
4);
avg_obj += l.output[obj_index];
// 对应objectness target = 1
l.delta[obj_index] =
1 - l.output[obj_index];
int
class = net.truth[t*(
4 +
1) + b*l.truths +
4];
if (l.
map)
class = l.
map[
class];
int class_index = entry_index(l, b, mask_n*l.w*l.h + j*l.w + i,
4 +
1);
delta_yolo_class(l.output, l.delta, class_index,
class, l.classes, l.w*l.h, &avg_cat);
++count;
++class_count;
if(iou >
.5) recall +=
1;
if(iou >
.75) recall75 +=
1;
avg_iou += iou;
}
}
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引入了ResidualNet的思路(3×3 和1×1的卷积核,shortcut连接),构建了Darknet-53网络。
把YOLO v3和其他方法比较,优势在于快快快。当你不太在乎IoU一定要多少多少的时候,YOLO可以做到又快又好。作者还在文章的结尾发起了这样的牢骚:
Russakovsky et al report that that humans have a hard time distinguishing an IOU of .3 from .5! “Training humans to visually inspect a bounding box with IOU of 0.3 and distinguish it from one with IOU 0.5 is surprisingly difficult.” [16] If humans have a hard time telling the difference, how much does it matter?
使用了多尺度预测,v3对于小目标的检测结果明显变好了。不过对于medium和large的目标,表现相对不好。这是需要后续工作进一步挖局的地方。
下面是具体的数据比较。
作者还贴心地给出了什么方法没有奏效。
下面是一些可供利用的参考资料: