【从零开始学习YOLOv3】1. cfg文件解析

前言: 与其他框架不同，Darknet构建网络架构不是通过代码直接堆叠，而是通过解析cfg文件进行生成的。cfg文件格式是有一定规则，虽然比较简单，但是有些地方需要对yolov3有一定程度的熟悉，才能正确设置。

下边以yolov3.cfg为例进行讲解。

1. Net层

[net]
#Testing
#batch=1 
#subdivisions=1
#在测试的时候，设置batch=1,subdivisions=1
#Training
batch=16
subdivisions=4
#这里的batch与普遍意义上的batch不是一致的。
#训练的过程中将一次性加载16张图片进内存，然后分4次完成前向传播，每次4张。
#经过16张图片的前向传播以后，进行一次反向传播。
width=416
height=416
channels=3
#设置图片进入网络的宽、高和通道个数。
#由于YOLOv3的下采样一般是32倍，所以宽高必须能被32整除。
#多尺度训练选择为32的倍数最小320*320，最大608*608。
#长和宽越大，对小目标越好，但是占用显存也会高，需要权衡。
momentum=0.9
#动量参数影响着梯度下降到最优值得速度。
decay=0.0005
#权重衰减正则项，防止过拟合。
angle=0
#数据增强，设置旋转角度。
saturation = 1.5
#饱和度
exposure = 1.5
#曝光量
hue=.1
#色调

learning_rate=0.001
#学习率:刚开始训练时可以将学习率设置的高一点，而一定轮数之后，将其减小。
#在训练过程中，一般根据训练轮数设置动态变化的学习率。
burn_in=1000
max_batches = 500200
#最大batch
policy=steps
#学习率调整的策略，有以下policy：
#constant, steps, exp, poly, step, sig, RANDOM，constant等方式
#调整学习率的policy，        
#有如下policy：constant, steps, exp, poly, step, sig, RANDOM。
#steps#比较好理解，按照steps来改变学习率。

steps=400000,450000
scales=.1,.1
#在达到40000、45000的时候将学习率乘以对应的scale

2. 卷积层

[convolutional]
batch_normalize=1    		
#是否做BN操作
filters=32                  
#输出特征图的数量
size=3               		
#卷积核的尺寸
stride=1                	
#做卷积运算的步长
pad=1               		
#如果pad为0,padding由padding参数指定。
#如果pad为1，padding大小为size/2，padding应该是对输入图像左边缘拓展的像素数量
activation=leaky     		
#激活函数的类型：logistic，loggy，relu，
#elu，relie，plse，hardtan，lhtan，
#linear，ramp，leaky，tanh，stair
# alexeyAB版添加了mish, swish, nrom_chan等新的激活函数

feature map计算公式：
$$OutFeature=\frac{InFeature+2\times padding-size}{stride}+1$$

3. 下采样

可以通过调整卷积层参数进行下采样：

[convolutional]
batch_normalize=1
filters=128
size=3
stride=2
pad=1
activation=leaky

可以通过带入以上公式，可以得到OutFeature是InFeature的一半。

也可以使用maxpooling进行下采样：

[maxpool]
size=2
stride=2

4. 上采样

[upsample]
stride=2

上采样是通过线性插值实现的。

5. Shortcut和Route层

[shortcut]
from=-3
activation=linear
#shortcut操作是类似ResNet的跨层连接，参数from是−3，
#意思是shortcut的输出是当前层与先前的倒数第三层相加而得到。
# 通俗来讲就是add操作

[route]
layers = -1, 36
# 当属性有两个值，就是将上一层和第36层进行concate
#即沿深度的维度连接，这也要求feature map大小是一致的。
[route]
layers = -4
#当属性只有一个值时，它会输出由该值索引的网络层的特征图。 
#本例子中就是提取从当前倒数第四个层输出

6. YOLO层

[convolutional]
size=1
stride=1
pad=1
filters=18
#每一个[region/yolo]层前的最后一个卷积层中的 
#filters=num(yolo层个数)*(classes+5) ,5的意义是5个坐标，
#代表论文中的tx,ty,tw,th,po
#这里类别个数为1，（1+5）*3=18
activation=linear

[yolo]                  	
mask = 6,7,8 				
#训练框mask的值是0,1,2，			
#这意味着使用第一，第二和第三个anchor
anchors = 10,13,  16,30,  33,23,  30,61,  62,45,\
		  59,119,  116,90,  156,198,  373,326
# 总共有三个检测层，共计9个anchor
# 这里的anchor是由kmeans聚类算法得到的。
classes=1 
#类别个数
num=9     			
#每个grid预测的BoundingBox num/yolo层个数
jitter=.3    		
#利用数据抖动产生更多数据，
#属于TTA（Test Time Augmentation）
ignore_thresh = .5
# ignore_thresh 指得是参与计算的IOU阈值大小。
#当预测的检测框与ground true的IOU大于ignore_thresh的时候，
#不会参与loss的计算，否则，检测框将会参与损失计算。
#目的是控制参与loss计算的检测框的规模，当ignore_thresh过于大，
#接近于1的时候，那么参与检测框回归loss的个数就会比较少，同时也容易造成过拟合；
#而如果ignore_thresh设置的过于小，那么参与计算的会数量规模就会很大。
#同时也容易在进行检测框回归的时候造成欠拟合。
#ignore_thresh 一般选取0.5-0.7之间的一个值
# 小尺度（13*13）用的是0.7，
# 大尺度（26*26）用的是0.5。

7. 模块总结

Darket-53结构如下图所示：

它是由重复的类似于ResNet的模块组成的，其下采样是通过卷积来完成的。通过对cfg文件的观察，提出了以下总结：

不改变feature大小的模块：

1. 残差模块：

[convolutional]
batch_normalize=1
filters=128
size=1
stride=1
pad=1
activation=leaky

[convolutional]
batch_normalize=1
filters=256
size=3
stride=1
pad=1
activation=leaky

[shortcut]
from=-3
activation=linear

2. 1×1卷积：可以降低计算量

[convolutional]
batch_normalize=1
filters=512
size=1
stride=1
pad=1
activation=leaky

3. 普通3×3卷积：可以对filter个数进行调整

[convolutional]
batch_normalize=1
filters=1024
size=3
stride=1
pad=1
activation=leaky

改变feature map大小

1. feature map减半：

[maxpool]
size=2
stride=2

或者

[convolutional]
batch_normalize=1
filters=128
size=3
stride=2
pad=1
activation=leaky

2. feature map加倍:

[maxpool]
size=2
stride=1

特征融合操作

1. 使用Route层获取指定的层（13×13）。
2. 添加卷积层进行学习但不改变feature map大小。
3. 进行上采样（26×26）。
4. 从backbone中找到对应feature map大小的层进行Route或者Shortcut（26×26）。
5. 融合完成。

后记：以上就是笔者之前使用darknet过程中收集和总结的一些经验，掌握以上内容并读懂yolov3论文后，就可以着手运行代码了。目前使用与darknet一致的cfg文件解析的有一些，比如原版Darknet，AlexeyAB版本的Darknet，还有一个pytorch版本的yolov3。AlexeyAB版本的添加了很多新特性，比如 [conv_lstm], [scale_channels] SE/ASFF/BiFPN, [local_avgpool], [sam], [Gaussian_yolo], [reorg3d] (fixed [reorg]), fixed [batchnorm]等等。而pytorch版本的yolov3可以很方便的添加我们需要的功能。之后将会对这个版本进行改进，添加孔洞卷积、SE、CBAM、SK等模块。