深入浅出Yolo系列之Yolox核心基础完整讲解

在Yolov4、Yolov5刚出来时，大白就写过关于Yolov3、Yolov4、Yolov5的文章，并且做了一些讲解的视频，反响都还不错。

而从2015年的Yolov1，2016年Yolov2，2018年的Yolov3，再到2020年的Yolov4、Yolov5，Yolo系列也在不断的进化发展。

就在大家质疑，Yolo如何进一步改进时，旷视科技发表了研究改进的Yolox算法。

大白对于Yolox文章和相关的代码，进行了学习，发现有很多改进的方式。

比如Decoupled Head、SimOTA等方式，效果还是非常不错的，很值得借鉴。

但因为很难直接可视化的学习，了解Yolox和之前Yolo相关算法的区别。

因此本文，大白对Yolox的一些细节，和之前的Yolov3、Yolov4、Yolov5算法对比，进行深入浅出的分析讲解，和大家一些探讨学习。

---

1 Yolov3&Yolov4&Yolov5相关资料

在了解Yolox之前，我们首先要对之前的一些Yolo算法，比如Yolov3、Yolov4、Yolov5进行了解。

因为Yolox很多的网络结构，都是在其基础上，延伸而来的。

比如Yolox-Darknet53，就是在Yolov3的基础上进行的改进。

而Yolox-s、Yolox-l等网络，就是在olov5-s、Yolov5-lY等网络的基础上，进行的改进。

所以大白将之前整理的，Yolo相关文章和视频，进行汇总。有需要的同学，可以先进行了解。

① Yolov3相关资料

【视频】：深入浅出Yolov3（上）、深入浅出Yolov3（下）

【文章】：《深入浅出Yolo系列之Yolov3&v4核心基础知识完整讲解》

② Yolov4相关资料

【视频】：深入浅出Yolov4（上）、深入浅出Yolov4（下）

【文章】：《深入浅出Yolo系列之Yolov3&v4核心基础知识完整讲解》

③ Yolov5相关资料

【文章】：《深入浅出Yolo系列之Yolov5核心基础知识完整讲解》

④ Yolox相关资料

【文章】：《深入浅出Yolo系列之Yolovx核心基础知识完整讲解》

【文章】：《深入浅出Yolox之自有数据集训练》

2 Yolox相关基础知识点

2.1 Yolox的论文及代码

Yolox论文名：《YOLOX: Exceeding YOLO Series in 2021》

Yolox论文地址：https://arxiv.org/abs/2107.08430

Yolox代码地址：https://github.com/Megvii-BaseDetection/YOLOX

2.2 Yolox各版本网络结构图

想学习一个算法，最好从直观图示的角度，进行了解。

如果纯粹从代码上进行查看，很可能会一头雾水。

而且Yolox的各种网络结构也很多，比如下面的各个网络结构权重文件。

因此可以采用，将各个模型文件转换成onnx格式，再用netron工具打开的方式，对网络结构进行可视化学习。

2.2.1 Netron工具

如果有同学对netron工具还不是很熟悉，这里还是放上netron工具安装的详细流程。

可以移步大白的另一篇文章：《网络可视化工具netron详细安装流程》

2.2.2 各个Yolox的onnx文件

各个onnx文件，可以采用代码中的，tools/export_onnx.py脚本，进行转换。

此外，官方代码中的这个版块，已经转换好了各个版本的onnx，也可以直接下载使用。

2.2.3 各个Yolox网络结构图

不过考虑到，有些同学可能不方便，使用netron查看。

因此，大白也上传了使用netron打开的，每个网络结构图的图片，也可以直接点击查看。

（1）Yolox-Nano

Yolox-Nano是Yolox系列最小的结构，网络参数只有0.91M。

此处放上netron打开的，Yolox-Nano网络结构可视图，点击即可查看。

（2）Yolox-Tiny

此处放上Yolox-Tiny网络结构可视图，点击即可查看。

（3）Yolox-Darknet53

Yolox-Darknet53是在Yolov3的基础上，进行的改进，也是后面主要介绍的网络结构。

此处放上Yolox-Darknet53网络结构可视图，点击即可查看。

（4）Yolox-s

Yolox-s是在Yolov5-s的基础上，进行的改进，也是后面主要介绍的网络结构。

此处放上Yolox-s网络结构可视图，点击即可查看。

（5）Yolox-m

此处放上Yolox-m网络结构可视图，点击即可查看。

（6）Yolox-l

此处放上Yolox-l网络结构可视图，点击即可查看。

（7）Yolox-x

此处放上Yolox-x网络结构可视图，点击即可查看。

3 Yolox核心知识点

3.1 Yolov3&Yolov4&Yolov5网络结构图

在学习Yolox之前，我们先了解一下Yolov3、Yolov4、Yolov5的网络结构图，而后面的Yolox网络，都是在此基础上延伸而来的。

① Yolov3网络结构图

Yolov3是在2018年提出，也是工业界使用非常广泛的目标检测算法。

不过在Yolox系列中的，Yolox-Darknet53模型，采用的Baseline基准网络，采用的并不是Yolov3版本，而是改进后的Yolov3_spp版本。

而Yolov3和Yolov3_spp的不同点在于，Yolov3的主干网络后面，添加了spp组件，这里需要注意。

② Yolov4网络结构图

上图是DarknetAB大神，在2020年提出的Yolov4算法。

在此算法中，网络的很多地方，都进行了改进。

比如输入端：采用Mosaic数据增强；

Backbone：采用了CSPDarknet53、Mish激活函数、Dropblock等方式；

Neck：采用了SPP（按照DarknetAB的设定）、FPN+PAN结构；

输出端：采用CIOU_Loss、DIOU_Nms操作。

因此可以看出，Yolov4对Yolov3的各个部分，都进行了很多的整合创新。

关于Yolov4，如果有不清楚的，可以参照大白之前写的《深入浅出Yolo系列之Yolov3&Yolov4核心基础知识完整讲解》，写的比较详细。

③ Yolov5网络结构图

而在Yolov5网络中，和Yolov4不同，最大的创新点在于，作者将网络结构，做成了可选择配置的方式。

比如主干网络结构，根据各个网络的宽度、高度不同，可以分为Yolov5s、Yolov5l、Yolov5s、Yolo5x等版本。

这种转变，在目标检测领域，引领了一股网络拆分的热潮。

本文的Yolox算法，也从这个角度出发，将Yolox模型，变为多种可选配的网络，比如标准网络结构和轻量级网络结构。

（1）标准网络结构：Yolox-s、Yolox-m、Yolox-l、Yolox-x、Yolox-Darknet53。

（2）轻量级网络结构：Yolox-Nano、Yolox-Tiny。

在实际的项目中，大家可以根据不同项目需求，进行挑选使用。

3.2 Yolox基础知识点

从上面的描述中，我们可以知道Yolox整体的改进思路：

（1）基准模型：Yolov3_spp

选择Yolov3_spp结构，并添加一些常用的改进方式，作为Yolov3 baseline基准模型；

（2）Yolox-Darknet53

对Yolov3 baseline基准模型，添加各种trick，比如Decoupled Head、SimOTA等，得到Yolox-Darknet53版本；

（3）Yolox-s、Yolox-m、Yolox-l、Yolox-x系列

对Yolov5的四个版本，采用这些有效的trick，逐一进行改进，得到Yolox-s、Yolox-m、Yolox-l、Yolox-x四个版本；

（4）轻量级网络

设计了Yolox-Nano、Yolox-Tiny轻量级网络，并测试了一些trick的适用性；

总体来说，论文中做了很多的工作，下面和大家一起，从以上的角度，对Yolox算法的网络结构，以及各个创新点进行讲解。

3.2.1 基准模型：Yolov3_spp

在设计算法时，为了对比改进trick的好坏，常常需要选择基准的模型算法。

而在选择Yolox的基准模型时，作者考虑到：

Yolov4和Yolov5系列，从基于锚框的算法角度来说，可能有一些过度优化，因此最终选择了Yolov3系列。

不过也并没有直接选择Yolov3系列中，标准的Yolov3算法，而是选择添加了spp组件，进而性能更优的Yolov3_spp版本。

以下是论文中的解释：

Considering YOLOv4 and YOLOv5 may be a little over-optimized for the anchor-based pipeline, we choose YOLOv3 [25] as our start point (we set YOLOv3-SPP as the default YOLOv3)。

为了便于大家理解，大白在前面Yolov3结构图的基础上，添加上spp组件，变为下图所示的Yolov3_spp网络。

大家可以看到，主干网络Backbone后面，增加了一个SPP组件。

当然在此基础上，对网络训练过程中的很多地方，都进行了改进，比如：

（1）添加了EMA权值更新、Cosine学习率机制等训练技巧

（2）使用IOU损失函数训练reg分支，BCE损失函数训练cls与obj分支

（3）添加了RandomHorizontalFlip、ColorJitter以及多尺度数据增广，移除了RandomResizedCrop。

在此基础上，Yolov3_spp的AP值达到38.5，即下图中的Yolov3 baseline。

不过在对上图研究时，有一点点小疑惑：

YOLOv3_ultralytics的AP值为44.3，论文中引用时，说是目前Yolov3_spp算法中，精度最好的版本。（the current best practice of YOLOv3）。

接着对此代码进行查看，发现正如论文中所说，增加了很多trick的Yolov3_spp版本，AP值为44.3。

而Yolox的基准模型，是最原始的Yolov3_spp版本，经过一系列的改进后，AP值达到38.5。

在此基础上，又增加了Strong augmentation、Decoupled head、anchor-free、multi positives、SimOTA，等5种trick，最终达到了AP47.3。

但存在疑惑的是？

如果直接采用YOLOv3_ultralytics的Yolov3_spp版本，再增加上面的4种trick（除掉strong augmentation，因为代码中已经改进了），是否会有更好的AP提升？

3.2.2 Yolox-Darknet53

我们在前面知道，当得到Yolov3 baseline后，作者又添加了一系列的trick，最终改进为Yolox-Darknet53网络结构。

上图即是Yolox-Darknet53网络结构图。

为了便于分析改进点，我们对Yolox-Darknet53网络结构进行拆分，变为四个板块：

① 输入端：Strong augmentation数据增强

② BackBone主干网络：主干网络没有什么变化，还是Darknet53。

③ Neck：没有什么变化，Yolov3 baseline的Neck层还是FPN结构。

④ Prediction：Decoupled Head、End-to-End YOLO、Anchor-free、Multi positives。

在经过一系列的改进后，Yolox-Darknet53最终达到AP47.3的效果。

下面我们对于Yolox-Darknet53的*输入端、Backbone、Neck、Prediction四个部分，进行详解的拆解。

3.2.2.1 输入端

（1） Strong augmentation

在网络的输入端，Yolox主要采用了Mosaic、Mixup两种数据增强方法。

而采用了这两种数据增强，直接将Yolov3 baseline，提升了2.4个百分点。

① Mosaic数据增强

Mosaic增强的方式，是U版YOLOv3引入的一种非常有效的增强策略。

而且在Yolov4、Yolov5算法中，也得到了广泛的应用。

通过随机缩放、随机裁剪、随机排布的方式进行拼接，对于小目标的检测效果提升，还是很不错的。

Mosaic数据增强的内容，在之前《深入浅出Yolo系列之Yolov3&Yolov4核心基础知识完整讲解》文章中写的很详细，详情可以查看之前的内容。

② MixUp数据增强

MixUp是在Mosaic基础上，增加的一种额外的增强策略。

主要来源于2017年，顶会ICLR的一篇论文《mixup: Beyond Empirical Risk Minimization》。当时主要应用在图像分类任务中，可以在几乎无额外计算开销的情况下，稳定提升1个百分点的分类精度。

而在Yolox中，则也应用到目标检测中，代码在yolox/datasets/mosaicdetection.py这个文件中。

其实方式很简单，比如我们在做人脸检测的任务。

先读取一张图片，图像两侧填充，缩放到640*640大小，即Image_1，人脸检测框为红色框。

再随机选取一张图片，图像上下填充，也缩放到640*640大小，即Image_2，人脸检测框为蓝色框。

然后设置一个融合系数，比如上图中，设置为0.5，将Image_1和Image_2，加权融合，最终得到右面的Image。

从右图可以看出，人脸的红色框和蓝色框是叠加存在的。

我们知道，在Mosaic和Mixup的基础上，Yolov3 baseline增加了2.4个百分点。

不过有两点需要注意：

（1）在训练的最后15个epoch，这两个数据增强会被关闭掉。

而在此之前，Mosaic和Mixup数据增强，都是打开的，这个细节需要注意。

（2）由于采取了更强的数据增强方式，作者在研究中发现，ImageNet预训练将毫无意义，因此，所有的模型，均是从头开始训练的。

3.2.2.2 Backbone

Yolox-Darknet53的Backbone主干网络，和原本的Yolov3 baseline的主干网络都是一样的。

都是采用Darknet53的网络结构，大白在Yolov3的视频中，对于它的来源，结构，各个组件的细节，都有很清晰的讲解，如何有不了解的，可以查看视频《Yolov3相关算法的原理及实现》。

3.2.2.3 Neck

在Neck结构中，Yolox-Darknet53和Yolov3 baseline的Neck结构，也是一样的，都是采用FPN的结构进行融合。

如下图所示，FPN自顶向下，将高层的特征信息，通过上采样的方式进行传递融合，得到进行预测的特征图。

而在Yolov4、Yolov5、甚至后面讲到的Yolox-s、l等版本中，都是采用FPN+PAN的形式，这里需要注意。

3.2.2.4 Prediction层

在输出层中，主要从四个方面进行讲解：Decoupled Head、Anchor Free、标签分配、Loss计算。

（1）Decoupled Head

我们先来看一下Decoupled Head，目前在很多一阶段网络中都有类似应用，比如RetinaNet、FCOS等。

而在Yolox中，作者增加了三个Decoupled Head，俗称“解耦头”

大白这里从两个方面对Decoupled Head进行讲解：

① 为什么使用Decoupled Head？

② Decoupled Head的细节？

从上图右面的Prediction中，我们可以看到，有三个Decoupled Head分支。

① 为什么使用Decoupled Head？

在了解原理前，我们先了解下改进的原因。为什么将原本的Yolo head，修改为Decoupled Head呢？

我们先看一张论文中的表格：

在前面3.2.1 基准网络中，我们知道Yolov3 baseline的AP值为38.5。

作者想继续改进，比如输出端改进为End-to-end的方式（即无NMS的形式）。

但意外的发现，改进完之后的AP值只有34.3。

而在2020年12月份，旷视科技发表的《End-to-End Object Detection with Fully Convolution Network》中。

在对FCOS改进为无NMS时，在COCO上，达到了与有NMS的FCOS，相当的性能。

那这时就奇怪了，为什么在Yolo上改进，会下降这么多？

在偶然间，作者将End-to-End中的Yolo Head，修改为Decoupled Head的方式。

惊喜的发现，End-to-end Yolo的AP值，从34.3增加到38.8。

那End-to-end的方式有效果，Yolov3 baseline中是否也有效果呢？

然后作者又将Yolov3 baseline 中Yolo Head，也修改为Decoupled Head。

发现AP值，从38.5，增加到39.6。

当然作者在实验中还发现，不单单是精度上的提高。替换为Decoupled Head后，网络的收敛速度也加快了。

因此可以得到一个非常关键的结论：

★ 目前Yolo系列使用的检测头，表达能力可能有所欠缺，没有Decoupled Head的表达能力更好。

这里添加Yolo Head和Decoupled Head的对比曲线：

曲线表明：Decoupled Head的收敛速度更快，且精度更高一些。

但是需要注意的是：将检测头解耦，会增加运算的复杂度。

因此作者经过速度和性能上的权衡，最终使用 1个1x1 的卷积先进行降维，并在后面两个分支里，各使用了 2个3x3 卷积，最终调整到仅仅增加一点点的网络参数。

而且这里解耦后，还有一个更深层次的重要性：

Yolox的网络架构，可以和很多算法任务，进行一体化结合。

比如：

（1）YOLOX + Yolact/CondInst/SOLO ，实现端侧的实例分割。

（2）YOLOX + 34 层输出，实现端侧人体的 17 个关键点检测。

② Decoupled Head的细节？

了解了Decoupled Head的来源，再看一下Decoupled Head的细节。

我们将Yolox-Darknet53中，Decoupled Head①提取出来，经过前面的Neck层，这里Decouple Head①输入的长宽为20*20。

从图上可以看出，Concat前总共有三个分支：

（1）cls_output：主要对目标框的类别，预测分数。因为COCO数据集总共有80个类别，且主要是N个二分类判断，因此经过Sigmoid激活函数处理后，变为202080大小。

（2）obj_output：主要判断目标框是前景还是背景，因此经过Sigmoid处理好，变为20201大小。

（3）reg_output：主要对目标框的坐标信息（x，y，w，h）进行预测，因此大小为20204。

最后三个output，经过Concat融合到一起，得到202085的特征信息。

当然，这只是Decoupled Head①的信息，再对Decoupled Head②和③进行处理。

Decoupled Head②输出特征信息，并进行Concate，得到404085特征信息。

Decoupled Head③输出特征信息，并进行Concate，得到808085特征信息。

再对①②③三个信息，进行Reshape操作，并进行总体的Concat，得到8400*85的预测信息。

并经过一次Transpose，变为85*8400大小的二维向量信息。

这里的8400，指的是预测框的数量，而85是每个预测框的信息（reg，obj，cls）。

有了预测框的信息，下面我们再了解，如何将这些预测框和标注的框，即groundtruth进行关联，从而计算Loss函数，更新网络参数呢？

（2）Anchor-free

这里就要引入Anchor的内容，目前行业内，主要有Anchor Based和Anchor Free两种方式。

在Yolov3、Yolov4、Yolov5中，通常都是采用Anchor Based的方式，来提取目标框，进而和标注的groundtruth进行比对，判断两者的差距。

① Anchor Based方式

比如输入图像，经过Backbone、Neck层，最终将特征信息，传送到输出的Feature Map中。

这时，就要设置一些Anchor规则，将预测框和标注框进行关联。

从而在训练中，计算两者的差距，即损失函数，再更新网络参数。

比如在下图的，最后的三个Feature Map上，基于每个单元格，都有三个不同尺寸大小的锚框。

这里为了更形象的展示，以大白Yolov3视频中，输入图像大小416*416为例。

当输入为416×416时，网络最后的三个特征图大小为13×13，26×26，52×52。

我们可以看到，黄色框为小狗的Groundtruth，即标注框。

而蓝色的框，为小狗中心点所在的单元格，所对应的锚框，每个单元格都有3个蓝框。

当采用COCO数据集，即有80个类别时。

基于每个锚框，都有x、y、w、h、obj（前景背景）、class（80个类别），共85个参数。

因此会产生3×(13×13+26×26+52×52）×85=904995个预测结果。

如果将输入从416×416，变为640×640，最后的三个特征图大小为20×20,40×40,80×80。

则会产生3×（20×20+4040+8080）×85=2142000个预测结果。

② Anchor Free方式

而Yolox-Darknet53中，则采用Anchor Free的方式。

我们从两个方面，来对Anchor Free进行了解。

a.输出的参数量

我们先计算下，当得到包含目标框所有输出信息时，所需要的参数量？

这里需要注意的是：

最后黄色的85*8400，不是类似于Yolov3中的Feature Map，而是特征向量。

从图中可知，当输入为640×640时，最终输出得到的特征向量是85×8400。

我们看下，和之前Anchor Based方式，预测结果数量相差多少?

通过计算，8400*85=714000个预测结果，比基于Anchor Based的方式，少了2/3的参数量。

b.Anchor框信息

在前面Anchor Based中，我们知道，每个Feature map的单元格，都有3个大小不一的锚框。

那么Yolox-Darknet53就没有吗？

其实并不然，这里只是巧妙的，将前面Backbone中，下采样的大小信息引入进来。

比如上图中，最上面的分支，下采样了5次，2的5次方为32。

并且Decoupled Head①的输出，为20×20×85大小。

因此如上图所示：

最后8400个预测框中，其中有400个框，所对应锚框的大小，为32×32。

同样的原理，中间的分支，最后有1600个预测框，所对应锚框的大小，为16×16。

最下面的分支，最后有6400个预测框，所对应锚框的大小，为8×8。

当有了8400个预测框的信息，每张图片也有标注的目标框的信息。

这时的锚框，就相当于桥梁。

这时需要做的，就是将8400个锚框，和图片上所有的目标框进行关联，挑选出正样本锚框。

而相应的，正样本锚框所对应的位置，就可以将正样本预测框，挑选出来。

这里采用的关联方式，就是标签分配。

（3）标签分配

当有了8400个Anchor锚框后，这里的每一个锚框，都对应85×8400特征向量中的预测框信息。

不过需要知道，这些预测框只有少部分是正样本，绝大多数是负样本。

那么到底哪些是正样本呢？

这里需要利用锚框和实际目标框的关系，挑选出一部分适合的正样本锚框。

比如第3、10、15个锚框是正样本锚框，则对应到网络输出的8400个预测框中，第3、10、15个预测框，就是相应的正样本预测框。

训练过程中，在锚框的基础上，不断的预测，然后不断的迭代，从而更新网络参数，让网络预测的越来越准。

那么在Yolox中，是如何挑选正样本锚框的呢？

这里就涉及到两个关键点：初步筛选、SimOTA。

① 初步筛选

初步筛选的方式主要有两种：根据中心点来判断、根据目标框来判断；

这部分的代码，在models/yolo_head.py的get_in_boxes_info函数中。

a. 根据中心点来判断：

规则：寻找anchor_box中心点，落在groundtruth_boxes矩形范围的所有anchors。

比如在get_in_boxes_info的代码中，通过groundtruth的[x_center,y_center，w，h]，计算出每张图片的每个groundtruth的左上角、右下角坐标。

为了大家更容易理解，大白以人脸检测的任务绘制图片：

通过上面的公式，可以对左面人脸图片，计算出左上角（gt_l，gt_t），右下角（gt_r，gt_b）。

groundtruth的矩形框范围确定了，再根据范围去选择适合的锚框。

这里再绘制一个锚框的中心点，（x_center，y_center）。

而右面的图片，就是寻找锚框和groundtruth的对应关系。

即计算锚框中心点（x_center，y_center），和人脸标注框左上角（gt_l，gt_t），右下角（gt_r，gt_b）两个角点的相应距离。

比如下面代码图片中的前四行代码：

而在第五行，将四个值叠加之后，通过第六行，判断是否都大于0？

就可以将落在groundtruth矩形范围内的所有anchors，都提取出来了。

因为ancor box的中心点，只有落在矩形范围内，这时的b_l，b_r，b_t，b_b都大于0。

b.根据目标框来判断：

除了根据锚框中心点，和groundtruth两边距离判断的方式外，作者还设置了根据目标框判断的方法。

规则：以groundtruth中心点为基准，设置边长为5的正方形，挑选在正方形内的所有锚框。

同样在get_in_boxes_info的代码中，通过groundtruth的[x_center，y_center，w，h]，绘制了一个边长为5的正方形。

为了大家容易理解，大白还是以人脸检测的任务绘制图片：

在左面的人脸图片中，基于人脸标注框的中心点，利用上面的公式，绘制了一个边长为5的正方形。左上角点为（gt_l，gt_t），右下角点为（gt_r，gt_b）。

这时groundtruth正方形范围确定了，再根据范围去挑选锚框。

而右面的图片，就是找出所有中心点（x_center，y_center）在正方形内的锚框。

在代码图片中的前四行代码，也是计算锚框中心点，和正方形两边的距离。

通过第五行的叠加，再在第六行，判断c_l，c_r，c_t，c_b是否都大于0？

就可以将落在边长为5的正方形范围内，所有的anchors，都提取出来了，因为这时的c_l，c_r，c_t，c_b都大于0。

经过上面两种挑选的方式，就完成初步筛选了，挑选出一部分候选的anchor，进入下一步的精细化筛选。

② 精细化筛选

而在精细化筛选中，就用到论文中提到的SimOTA了：

从提升效果上来看，引入SimOTA后，AP值提升了2.3个百分点，还是非常有效的。

而SimOAT方法的提出，主要来源于旷视科技，2021年初CVPR上的一篇论文：《Ota: Optimal transport assignment for object detection》。

我们将SimOTA的前后流程进行拆解，看一下是如何进行精细化筛选的？

整个筛选流程，主要分为四个阶段：

a.初筛正样本信息提取

b.Loss函数计算

c.cost成本计算

d.SimOTA求解

为了便于理解，我们假定图片上有3个目标框，即3个groundtruth。

再假定目前在做的项目是对人脸和人体检测，因此检测类别是2。

上一节中，我们知道有8400个锚框，但是经过初步筛选后，假定有1000个锚框是正样本锚框。

a. 初筛正样本信息提取

初筛出的1000个正样本锚框的位置，我们是知道的。

而所有锚框的位置，和网络最后输出的85*8400特征向量是一一对应。

所以根据位置，可以将网络预测的候选检测框位置bboxes_preds、前景背景目标分数obj_preds、类别分数cls_preds等信息，提取出来。

上面的代码位于yolo_head.py的get_assignments函数中。

以前面的假定信息为例，代码图片中的bboxes_preds_per_image因为是候选检测框的信息，因此维度为[1000，4]。

obj_preds因为是目标分数，所以维度是[1000，1]。

cls_preds因为是类别分数，所以维度是[1000，2]。

b.Loss函数计算

针对筛选出的1000个候选检测框，和3个groundtruth计算Loss函数。

计算的代码，也在yolo_head.py的get_assignments函数中。

首先是位置信息的loss值：pair_wise_ious_loss

通过第一行代码，可以计算出3个目标框，和1000个候选框，每个框相互之间的iou信息pair_wise_ious，因为向量维度为[3,1000]。

再通过-torch.log计算，得到位置损失，即代码中的pair_wise_iou_loss。

然后是综合类别信息和目标信息的loss值：pair_wise_cls_loss

通过第一行代码，将类别的条件概率和目标的先验概率做乘积，得到目标的类别分数。

再通过第二行代码，F.binary_cross_entroy的处理，得到3个目标框和1000个候选框的综合loss值，即pair_wise_cls_loss，向量维度为[3，1000]。

c.cost成本计算

有了reg_loss和cls_loss，就可以将两个损失函数加权相加，计算cost成本函数了。

这里涉及到论文中提到的一个公式：

相应的，对应于yolo_head.py的get_assignments函数中的代码：

可以看出，公式中的加权系数，即代码中的3了。

d.SimOTA

有了上面的一系列信息，标签分配问题，就转换为了标准的OTA问题。

但是经典的Sinkhorn-Knopp算法，需要多次迭代求得最优解。

作者也提到，该算法会导致25%额外训练时间，所以采用一种简化版的SimOTA方法，求解近似最优解。这里对应的函数，是get_assignments函数中的self.dynamic_k_matching：

其中的流程如下：

第一步：设置候选框数量

首先按照cost值的大小，新建一个全0变量matching_matrix，这里是[3,1000]。

通过上面第二行代码，设置候选框数量为10。

再通过第三行代码，从前面的pair_wise_ious中，给每个目标框，挑选10个iou最大的候选框。

因为前面假定有3个目标，因此这里topk_ious的维度为[3，10]。

第二步：通过cost挑选候选框

下面再通过topk_ious的信息，动态选择候选框，这里是个关键。

代码如dynamic_k_matching函数中，下图所示：

为了便于大家理解，大白先把第一行制作成图示效果。

这里的topk_ious，是3个目标框和预测框中，最大iou的10个候选框：

经过torch.clamp函数，得到最终右面的dynamic_ks值。

我们就知道，目标框1和3，给他分配3个候选框，而目标框2，给它分配4个候选框。

那么基于什么标准分配呢？

这时就要利用前面计算的cost值，即[3,1000]的损失函数加权信息。

在for循环中，针对每个目标框挑选，相应的cost值最低的一些候选框。

比如右面的matching_matrix中，cost值最低的一些位置，数值为1，其余位置都为0。

因为目标框1和3，dynamic_ks值都为3，因此matching_matrix的第一行和第三行，有3个1。

而目标框2，dynamic_ks值为4，因此matching_matrix的第二行，有4个1。

第三步：过滤共用的候选框

不过在分析matching_matrix时，我们发现，第5列有两个1。

这也就说明，第五列所对应的候选框，被目标检测框1和2，都进行关联。

因此对这两个位置，还要使用cost值进行对比，选择较小的值，再进一步筛选。

这里为了便于理解，还是采用图示的方式：

首先第一行代码，将matching_matrix，对每一列进行相加。

这时anchor_matching_gt中，只要有大于1的，说明有共用的情况。

上图案例中，表明第5列存在共用的情况。

再利用第三行代码，将cost中，第5列的值取出，并进行比较，计算最小值所对应的行数，以及分数。

我们将第5列两个位置，假设为0.4和0.3。

经过第三行代码，可以找到最小的值是0.3，即cost_min为0.3，所对应的行数，cost_argmin为2。

经过第四行代码，将matching_matrix第5列都置0。

再利用第五行代码，将matching_matrix第2行，第5列的位置变为1。

最终我们可以得到3个目标框，最合适的一些候选框，即matching_matrix中，所有1所对应的位置。

（4）Loss计算

经过第三部分的标签分配，就可以将目标框和正样本预测框对应起来了。

下面就可以计算两者的误差，即Loss函数。

计算的代码，位于yolo_head.py的get_losses函数中。

我们可以看到：

检测框位置的iou_loss，Yolox中使用传统的iou_loss，和giou_loss两种，可以进行选择。

而obj_loss和cls_loss，都是采用BCE_loss的方式。

当然除此之外，还有两点需要注意：

a. 在前面精细化筛选中，使用了reg_loss和cls_loss，筛选出和目标框所对应的预测框。

因此这里的iou_loss和cls_loss，只针对目标框和筛选出的正样本预测框进行计算。

而obj_loss，则还是针对8400个预测框。

b.在Decoupled Head中，cls_output和obj_output使用了sigmoid函数进行归一化，

但是在训练时，并没有使用sigmoid函数，原因是训练时用的nn.BCEWithLogitsLoss函数，已经包含了sigmoid操作。

而在推理过程中，是使用Sigmoid函数的。

PS：不同的实验数据对比

因为想测试Yolox不同trick的性能，和好友潘大强在使用自有数据，对多种trick进行对比测试时发现：

① 方案一：Yolox-s+数据增强+(obj_output的Loss函数，用BCELoss)

② 方案二：Yolox-s+数据增强+(obj_output的Loss函数，改为FocalLoss)

对比发现：在使用自有数据集训练时，如果将obj_loss的BCE_Loss，修改为Focal_Loss，发现效果很明显，涨点也很多。而且Iou_loss收敛的更好了，不知道是否有朋友也试过？可以在评论区讨论。

3.2.3 Yolox-s、l、m、x系列

在对Yolov3 baseline进行不断优化，获得不错效果的基础上。

作者又对Yolov5系列，比如Yolov5s、Yolov5m、Yolov5l、Yolov5x四个网络结构，也使用一系列trick进行改进。

先来看一下，改进了哪些地方？

我们主要对Yolov5s进行对比，下图是Yolov5s的网络结构图：

我们再看一下Yolox-s的网络结构：

由上面两张图的对比，及前面的内容可以看出，Yolov5s和Yolox-s主要区别在于：

（1） 输入端：在Mosa数据增强的基础上，增加了Mixup数据增强效果；

（2） Backbone：激活函数采用SiLU函数；

（3） Neck：激活函数采用SiLU函数；

（4） 输出端：检测头改为Decoupled Head、采用anchor free、multi positives、SimOTA的方式。

在前面Yolov3 baseline的基础上，以上的tricks，取得了很不错的涨点。

在Yolov5一系列框架中呢？

下图是对Yolov5s、Yolov5m、Yolov5l、Yolov5x四个网络的改进效果对比图：

可以看出，在速度增加1ms左右的情况下，AP精度实现了0.8~2.9的涨点。

且网络结构越轻，比如Yolox-s的时候，涨点最多，达到2.9的涨点。

随着网络深度和宽度的加深，涨点慢慢降低，最终Yolox-x有0.8的涨点。

3.2.4 轻量级网络研究

在对Yolov3、Yolov5系列进行改进后，作者又设计了两个轻量级网络，与Yolov4-Tiny、和Yolox-Nano进行对比。

在研究过程中，作者有两个方面的发现，主要从轻量级网络，和数据增强的优缺点，两个角度来进行描述。

3.2.4.1 轻量级网络

因为实际场景的需要，很多同学想将Yolo移植到边缘设备中。

因此作者针对Yolov4-Tiny，构建了Yolox-Tiny网络结构。

针对FCOS 风格的NanoDet，构建了Yolox-Nano网络结构。

从上表可以看出：

（1） 和Yolov4-Tiny相比，Yolox-Tiny在参数量下降1M的情况下，AP值实现了9个点的涨点。

（2） 和NanoDet相比，Yolox-Nano在参数量下降，仅有0.91M的情况下，实现了1.8个点的涨点。

（3） 因此可以看出，Yolox的整体设计，在轻量级模型方面，依然有很不错的改进点。

3.2.4.2 数据增强的优缺点

在Yolox的很多对比测试中，都使用了数据增强的方式。

但是不同的网络结构，有的深有的浅，网络的学习能力不同，那么无节制的数据增强是否真的更好呢？

作者团队，对这个问题也进行了对比测试。

通过以上的表格有以下发现：

① Mosaic和Mixup混合策略

（1）对于轻量级网络，Yolox-nano来说，当在Mosaic基础上，增加了Mixup数据增强的方式，AP值不增反而降，从25.3降到24。

（2）而对于深一些的网络，Yolox-L来说，在Mosaic基础上，增加了Mixup数据增强的方式，AP值反而有所上升，从48.6增加到49.5。

（3）因此不同的网络结构，采用数据增强的策略也不同，比如Yolox-s、Yolox-m，或者Yolov4、Yolov5系列，都可以使用不同的数据增强策略进行尝试。

② Scale 增强策略

在Mosaic数据增强中，代码Yolox/data/data_augment.py中的random_perspective函数，生成仿射变换矩阵时，对于图片的缩放系数，会生成一个随机值。

（1） 对于Yolox-l来说，随机范围scale设置在[0.1，2]之间，即文章中设置的默认参数。

（2） 而当使用轻量级模型，比如YoloNano时，一方面只使用Mosaic数据增强，另一方面随机范围scale，设置在[0.5，1.5]之间，弱化Mosaic增广的性能。

3.3 Yolox的实现成果

3.3.1 精度速度对比

前面我们了解了Yolox的各种trick改进的原因以及原理，下面我们再整体看一下各种模型精度速度方面的对比：

左面的图片是相对比较标准的，网络结构的对比效果，主要从速度和精度方面速度和精度方面，进行对比。

而右面的图片，则是轻量级网络的对比效果，主要对比的是参数量和精度。

从左面的图片可以得出：

（1） 和与Yolov4-CSP相当的Yolov5-l进行对比，Yolo-l在COCO数据集上，实现AP50%的指标，在几乎相同的速度下超过Yolov5-l 1.8个百分点。

（2） 而Yolox-Darknet53和Yolov5-Darknet53相比，实现AP47.3%的指标，在几乎同等速度下，高出3个百分点。

而从右面的图片可以得出：

（1） 和Nano相比，Yolox-Nano参数量和GFLOPS都有减少，参数量为0.91M，GFLOPS为1.08，但是精度可达到25.3%，超过Nano1.8个百分点。

（2） 而Yolox-Tiny和Yolov4-Tiny*相比，参数量和GFLOPS都减少的情况下，精度远超Yolov4-Tiny 9个百分点。

3.3.2 Autonomous Driving竞赛

在CVPR2021自动驾驶竞赛的，Streaming Perception Challenge赛道中，挑战的主要关注点之一，是自动驾驶场景下的实时视频流2D目标检测问题。

由一个服务器收发图片和检测结果，来模拟视频流30FPS的视频，客户端接收到图片后进行实时推断。
竞赛地址：点击查看

在竞赛中旷视科技采用Yolox-l作为参赛模型，同时使用TensorRT进行推理加速，最终获得了full-track和detection-only track，两个赛道比赛的第一。

因此Yolox的各种改进方式还是挺不错，值得好好学习，深入研究一下。

4 深入浅出Yolox之自有数据集训练

因为Yolox的代码，和之前的Yolov3、Yolov4、Yolov5版本还是有很多不同的地方。

很多同学可能对于如何利用自有数据集训练？还是有些疑惑。

因此大白另外也写了一篇《深入浅出Yolox之自有数据集训练》的文章。

利用教室场景中，人头部标注的数据集，和大家一起一步步训练。

文章链接：《深入浅出Yolox之自有数据集训练》

5 不同的落地模型部署方式

当模型训练好，需要在项目中进行部署时。

作者在代码中，还贴心的整理了各种版本的部署方式：

比如以上5种方式：

（1）MegEngine：基于旷视科技的深度学习框架，MegEngine的部署方式。也是Brain++的核心组件，主要有C++和Python两种方式。

（2）ONNX和Tensorrt两种方式：英伟达的两种方式都有支持，主要有C++和Python两个方式，常常用在GPU服务器推理中。

（3）NCNN：腾讯优图开源的手机端推理框架，主要有C++和Java版本。

（4）OpenViNO：Intel公司开源的深度学习应用套件，主要有C++和Python版本。

一般情况下，可以选择Yolox-Nano、Yolox-Tiny、Yolox-s用于移动端部署。

Yolox-m、Yolox-l、Yolox-x用于GPU服务器部署。

大家也可以根据自己项目的需求，选择不同的部署方式。

6 后续更新ing

当然在Yolox的代码中，大白发现旷视作者的工作，还是不断改进中。后期也会推出很多改进的工作。

大家也可以先关注、点赞、收藏，后续有更新后，大白也会在本文中进行调整修改，更新到文章中。

7 相关推荐：数据集分类下载

当然除了训练中使用到的人头数据集，在大白网站的数据集下载版块，还整理了数百种，不同类型的数据集：

大家也可以根据自己的需要，选择不同的数据集，进行下载尝试。

数百种数据集汇总链接：点击查看

希望大白制作的，关于Yolov3、Yolov4、Yolov5、Yolox的一系列文章和视频，对大家工作和学习有帮助！