【模型训练】目标检测实现分享四：详解 YOLOv4 算法实现

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  大家好，我是极智视界，本文详细介绍一下 YOLOv4 算法的设计与实践，实践部分包括 darknet 与 pytorch。

  本文是目标检测类算法实现分享的第四篇，前面已经写过三篇，感兴趣的同学可以查阅：

  (1) 《【模型训练】目标检测实现分享一：详解 YOLOv1 算法实现》；

  (2) 《【模型训练】目标检测实现分享二：听说克莱今天复出了？详解 YOLOv2 算法与克莱检测》；

  (3) 《【模型训练】目标检测实现分享三：详解 YOLOv3 算法实现》；

  YOLOv4 是 YOLO 系列的第四个版本，在论文 《YOLOv4：Optimal Speed and Accuracy of Objecti Detection》中提出，集目标检测领域各种 state-of-the-art tricks 大荟萃 ，通过阅读 YOLOv4 论文及进行训练实践，可以对近年来目标检测领域涌现出的众多优秀 tricks 有个宏观把控。作者试验并集众多 tricks 于一身，就此催生出了性能出众的 YOLOv4 网络。

  话不多说，让我们来看。

  同样这里不止会讲原理也会讲实践。

1、YOLOv4 原理

  老规矩，先上性能数据：

  上图测试数据集为 MS COCO，推理硬件为 Nvidia V100，横轴为帧率 FPS，纵轴为精度 AP，所以从 兼顾效率和精度 角度来看，越往右上越好。可以看到 YOLOv4 相比 EfficientDet 要快两倍，相比 YOLOv3，AP 和 FPS 分别提升了 10% 和 12%。

  来看一个分别跑在 Maxwell、Pascal、Volta 架构上的 AP&FPS 性能图：

  可以看到作者对比了很多先进的目标检测网络，但不管是在 Maxwell、Pascal 还是 Volta 架构上，YOLOv4 总是右上角最闪亮的那颗星。

  再来看一组更加详细的性能数据，这组数据是在 Volta 架构的 GPU 上测得：

  上图性能数据是在 batch=1 且没有使用 TensorRT 进行加速的情况下测得，蓝色条表示帧率 FPS > 30，也即可以达到实时检测。可以看到 YOLOv4 的三个输入分辨率都能轻松达到实时，另外像 CenterMask-Lite、EFGRNet-VGG16-320、HSD-VGG16-320、DAFS-VGG16-512 也可以达到实时。另外在精度方面， AP、AP50、AP75、APs、APm 已经被 YOLOv4-CSPDarknet53-608 霸榜了，在 APl 上 CenterMask-Lite-VOVNet39-FPN-600x 要略优 0.2 个点。

  从以上实验数据可以看出 YOLOv4 的性能是非常强悍的，它的提出主要有以下两个贡献：

  (1) 提出了一个高效又强大的检测模型，任何人都可以只用一张 2080Ti GPU 卡就可训练出一个好用的检测器；

  (2) 试验了众多 state-of-the-art 的检测 tricks，并融入到 YOLOv4 中，使其更加的高效和强大；

  下面让我们来好好研究一下。

  YOLOv4 的网络结构划可分为 Input、Backbone、Neck、Head 四个模块，可以用下图表达：

  然后在模型结构和训练策略上分别加入了一些被称为 “Bag of freebies” 和 “Bag of specials” 的 tricks，解释一下这两个词：

• Bag of freebies (BoF)：只改变训练策略或只增加训练成本，而不增加推理成本从而提高性能的方法，如数据增强；
• Bag of specials (BoS)：稍微增加一点推理成本，但可以极大提升检测精度的方法，如插件模块和后处理方法；

  YOLOv4 中融入了大量的 BoF 和 Bo

  YOLOv4 的网络结构划分为 Input、Backbones、Neck、Heads 四个模块组成，差不多像下图：

  下面来看各个模块中的 tricks。

1.1 Input

  YOLOv4 在训练时对输入进行了很多创新性改进，包括 Mosaic 数据增强、cmBN、SAT 自对抗训练等，下面进行详细介绍。

1.1.1 Mosaic

  Mosaic 是在 CutMix 数据增强的基础上进化而来的，CutMix 是使用两张图片拼接进行数据增强，而 Mosaic 拓展到了使用四张图片拼接，且这四张图片是随机缩放、随机裁剪和随机排版的，这样可以一下子极大的丰富数据集。Mosaic 数据增强的效果如下：

1.1.2 CmBN

  CmBN 是 CBN 的改进版，而 CBN 又是 BN 的改进版。BN 是对当前 mini-batch 数据进行归一化，CBN 可以看做是 Cross Batch Normalization，是对当前以及往前数 3 个 mini-batch 数据进行归一化，而 CmBN 可以看做是 Cross mini-Batch Normalization，只统计一个大 batch 中 4 个 mini-batch 之间的数据，对外隔离。BN、CBN、CmBN 的流程示意如下：

1.1.3 SAT

  SAT (Self-Adversarial Training) 自对抗训练也是一种数据增强的方法，它包括两个阶段：

  (1) 1st stage：使用神经网络去改变图片数据，而不是更新权重数据，可以理解为图像数据生成；

  (2) 2nd stage：神经网络以正常方式在扩充后的图像数据集上进行训练。

1.2 Backbone

1.2.1 CSPDarknet53

  我们知道在 YOLOv2 中 backbone 为 Darknet19，YOLOv3 中 backbone 为 Darknet53，在 YOLOv4 中 backbone 又进行了一次升级，这次称为 CSPDarknet53，主要参考了论文《CSPNet：A New Backbone that can Enhance Learning Capability of CNN》，然后和 Darknet 相结合，来看主结构：

  再来看一下 CSPDarknet53 对比其他一些优秀 backbone 的参数量及性能情况，如下：

  可以看到在相同输入分辨率的情况下，CSPDarknet53 具有更高的 FPS，这说明效率更高；也具有更多的参数量，说明有更多的参数可以去学习特征，往往特征学习能力会更强。

1.2.2 Mish

  YOLOv4 backbone 是由很多的 CBM block (Conv + BN + Mish) 和 残差结构组成，CBM block 差不多长这样：

  Mish 激活函数在论文《Mish: A Self Regularized Non-Monotonic Activation Function》中提出，其数学表达为：

  函数的图像表达如下，其中：

• 蓝色曲线为：Mish；
• 橙色曲线为：ln(1 + e^(x))
  

  当然在实现的时候，也可以把 Mish 拆成由 tanh 和 softplus 组成，如在 TensorRT 的实现中往往需要这么做，即：

  对比 Relu，Mish 不像 Relu 那样是两阶段的，Mish 没有明显的折点，所以经 Mish 出来的梯度更加平滑，对比效果如下：

1.3 Neck

1.3.1 SPP

    SPP 指的是这个东西：

  这个结构其实在 YOLOv3-SPP.cfg 中早就存在，不过在 YOLOv3 时期还没有真正上位，在 YOLOv4 的时候才算真正上位了。SPP 结构在论文《DC-SPP-YOLO: Dense Connection and Spatial Pyramid Pooling Based YOLO for Object Detection》中提出，其主要目的是增加感受野。

1.3.2 FPN + PAN

  FPN 结构在 YOLOv3 中也存在，以输入分辨率 608 x 608 为例，在 YOLOv3 中通过 upsample 上采样和 Conv 下采样后，最后形成了 19 x 19、38 x 38、76 x 76 的三分支结构，示意如下：

  而 YOLOv4 的不同之处在于，在 YOLOv3 FPN 的基础上再接一个 Botton-up 结构，Botton-up 中用 PAN 进行衔接，整个 YOLOv4 FPN + PAN 的结构示意如下：

  YOLOv4 中的 PAN 修改了传统 PAN 中 addition 为 concatenation，这里有些不同，addition 不改变通道维度，concatenation 则会改变通道维度，示意如下：

1.4 Dense Prediction

1.4.1 Yolo

  YOLOv4 中最后的 yolo 预测层沿用了 YOLOv3 的 yolo，不过需要注意的是 YOLOv4 在经过了如上的 FPN + PAN 的 Neck 后，又形成了一个很容易让人迷惑的点：

  YOLOv3 的最后三个 yolo 层分别为：

  (1) 第一个 yolo 层：feature map 19 x 19 ==> mask = 6, 7, 8 ==> 对应最大的 anchor；

  (2) 第二个 yolo 层：feature map 38 x 38 ==> mask = 3, 4, 5 ==> 对应中等的 anchor；

  (3) 第三个 yolo 层：feature map 76 x 76 ==> mask = 0, 1, 2 ==> 对应最小的 anchor；

  而在 YOLOv4 中情况是相反的：

  (1) 第一个 yolo 层：feature map 76 x 76 ==> mask = 0, 1, 2 ==> 对应最小的 anchor；

  (2) 第二个 yolo 层：feature map 38 x 38 ==> mask = 3, 4, 5 ==> 对应中等的 anchor；

  (3) 第三个 yolo 层：feature map 19 x 19 ==> mask = 6, 7, 8 ==> 对应最大的 anchor；

  这个差异在开发过程中需要特别注意，很容易就把顺序搞错了。

1.4.2 IOU Loss

  YOLOv4 在 Bounding box Regeression Loss 上也做了一些创新，采用 CIOU_Loss 进行回归预测，使得预测框的速度和精度更加高。

  说到 CIOU_Loss，它经历了从最开始直接计算预测框的坐标点 Loss 到 IOU_Loss ，然后再进行了一系列优化的过程。这个过程差不多是这样：Smooth L1_Loss -> IOU_Loss -> GIOU_Loss -> DIOU_Loss -> CIOU_Loss。

• Smooth L1_Loss： 使用 Smooth L1_Loss 计算预测框的中心点或顶点相对于真实框的损失，无约束，反向传播时很容易导致梯度消失；
• IOU_Loss：IOU_Loss 主要考虑检测框和真实框的交集 / 并集，存在问题：当 IOU=0时(边界框不重合) 或 IOU值一定时，情况是多样的 ；
• GIOU_Loss：GIOU_Loss 在 IOU_Loss 的基础上，增加了相交尺度的衡量方式，解决了边界框不重合时的问题，不过还存在问题：IOU 值一定时，情况是多样的；
• DIOU_Loss：DIOU_Loss 进一步在 GIOU 的基础上，考虑了 重叠面积 和 中心点距离，覆盖的情况更多了，但还不够全面：当多个预测框的中心点刚好在以真实框中心为圆心的圆上时，情况是多样的；
• CIOU_Loss：CIOU_Loss 在 DIOU_Loss 的基础上再增加了一个影响因子，加入了预测框和真实框的长宽比，可以说覆盖的情况十分全面了。

  好了，以上主要介绍了 YOLOv4 的原理和改进点，下面进入实践环节。

2、YOLOv4 实现

  这里实践了两种框架的 YOLOv4。

2.1 训练

2.1.1 darknet 训练

  darknet 下训练数据集为 COCO，关于 COCO 数据集的制作过程就不多说了，上一篇 YOLOv3 中已经详细说过，不会的同学可以移步到上一篇。下面直接开始。

  在 cfg 目录下创建 yolov4 文件夹，加入 yolov4.cfg、coco.data、coco.names，并在 yolov4 文件夹下创建 backup 文件夹用于存放中间权重，形成目录树如下：

  执行训练指令：

./darknet detector train cfg/yolov4/coco.data cfg/yolov4/yolov4.cfg

  当然也可以加预训练权重：

./darknet detector train cfg/yolov4/coco.data cfg/yolov4/yolov4.cfg cfg/yolov4/yolov4.conv.137

  附上 yolov4.conv.137 的传送：https://github.com/AlexeyAB/darknet/releases/download/darknet_yolo_v3_optimal/yolov4.conv.137

  然后可以看到已经开始训练：

  经过很长的训练时间应该可以看到网络在慢慢收敛：

2.1.2 pytorch 训练

  pytorch 是现在使用十分广泛的训练框架，以动态图和灵活性著称，当然这里少不了 YOLOv4 的 pytorch 实现了。

  相关 YOLOv4-pytorch 工程代码我已为你们整理好，关注我的公众号 [极智视界] 回复 yolov4 即可领取。

  我这里提供的工程内还放了 VOC 数据集格式，只需要根据提供的格式制作一下训练数据集就可以轻松跑起来。

  让我们来跑一跑，直接执行工程下 train.sh 即可开始训练：

./train.sh

  这样的执行方式应该非常的友好，另外你可能还想着要修改一些参数，在 train.py 脚本内做相应修改即可，比如修改是否进行 Mosaic 数据增强等：

  来看看训练过程：

2.2 验证

  好了，接下来我们进行验证一下，训练出来的模型是否有效。

  这里拿 darknet 的模型进行验证，验证场景为春运现场，执行如下命令进行检测：

./darknet detector demo cfg/yolov4/coco.data cfg/yolov4/yolov4.cfg cfg/yolov4/backup/yolov4.weights data/chunyun.mp4

  检测效果如下：

  可以看到检测效果还是不错的。

  也借此视频愿山河无恙、疫情早日消散，同胞们可以快快乐乐、平平安安回家过年。

  以上分享了 YOLOv4 算法设计与实践，希望我的分享能对你的学习有一点帮助。

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