YOLO X 改进详解

YOLO X

主要改进：

1. Anchor-Free: FCOS
2. Decoupled detection head
3. Advanced label assigning strategy

Network structure improvement

Decoupled detection head

对比于YOLO V5, YOLO X 在detection head上有了改进。YOLO V5中，检测头是通过卷积同时预测分类以及定位任务，即通过同一个卷积来处理。

YOLO X 则使用了解耦的检测头，即，分类，定位，置信度预测由不同的卷积层来处理。同时，YOLO X 是anchor free的检测器，因此对于定位的输出仅仅只有4个参数，这个区别于YOLO V5 anchor-based 检测，每个cell 是基于3个anchor进行定位预测。YOLO X的三个检测头的权重不共享。文中实验表明，采用解耦的检测头，网络更容易收敛且准确率有了一定的提高。

Anchor-free

对于定位模型预测4个数 $(t_x,t_y,t_w,t_h)$. 因为是anchor-free，所以对于预测框的高度和宽度区别于YOLO V5基于anchor的缩放，在YOLO X中则是直接输出预测框的高和宽。

Loss Function

Loss function 包括三个部分，Class loss function, Region loss function, IoU loss function (置信度). 其中 class loss function 和 region class function 只计算正样本的损失。

$$LOSS=\frac{L_{cls}+\lambda L_{reg}+L_{obj}}{N_{pos}}$$
其中$N_{pos}$表示这个feature map中被分为正样本的个数。$\lambda$ 是平衡系数，代码中给出的是5.0.

正负样本匹配 (SimOTA)

SimOTA 将匹配正负样本的过程看作最优传输的过程。通过cost function来筛选正样本。预测样本和GT之间的cost计算如下：
$$C_{ij}=L_{ij}^{cls}+\lambda L_{ij}^{reg}$$

1. 初筛
   在计算cost之前，会对样本进行一次初步的筛选，得到正样本的候选区域。正样本的候选区域是以GT中心点围成的 5×5 的区域。

对于这个条件，在代码中也体现在cost function中，因此代码实现中的cost function如下，
$$C_{ij}=L_{ij}^{cls}+\lambda L_{ij}^{reg}+\gamma (not\_in\_GTbox\_and\_center\_area)$$
代码中的，$\lambda ,\gamma$ 分别为3，100000。对于不在GT box以及候选框内的预测点给予一个很大的cost.

2. 获取n_candidate_k，这个值是在10和预选框候选数中取最小
   $$n\_candiate\_k=min(10,in\_Box\_num)$$
3. 计算预选的正样本与当前gtbox的IoU. 按从大到小的顺序排列选择前 $n\_candiate\_k$ 个预选框的IoU值作为 $topk\_ious$。
4. 通过IoU值计算dynamic_ks，这是一个动态的预选框选择，不同的GT这个值是不一样的。
   $$dynamic\_ks=torch.clamp(topk\_ious.sum(1).int(),min=1)$$
5. 计算预选正样本的cost，并从小到大进行排序，选择$topdynamic\_ks$ 个样本作为正样本。
6. 如果同一个预选正样本分配给了不同的GT，则选择最小cost的那一个，其他的忽略。