YOLO系列目标检测算法——PP-YOLO

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本文总结：

1. PP-YOLO以YOLOv3为基础进行开发，主要尝试结合现有的各种几乎不增加模型参数和FLOPs的多个的tricks，以尽可能提高检测器的精度，同时确保速度几乎不变；
2. Backbone使用ResNet50-vd替代YOLOv3中的DarkNet-53；为了解决替换backbone可能造成的问题，平衡效率和性能，仅在最后一阶段，使用可变形卷积替换3×3的卷积层。
3. 使用其他多种trick，例如更大的Batch Size、EMA、DropBlock、IoU Loss、IoU Aware、Grid Sensitive、Matrix NMS、CoordConv、SPP和更好的预训练模型等；

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深度学习知识点总结

专栏链接:
https://blog.csdn.net/qq_39707285/article/details/124005405
此专栏主要总结深度学习中的知识点，从各大数据集比赛开始，介绍历年冠军算法；同时总结深度学习中重要的知识点，包括损失函数、优化器、各种经典算法、各种算法的优化策略Bag of Freebies (BoF)等。

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YOLO系列目标检测算法——PP-YOLO

2020.7.23 PP-YOLO：《PP-YOLO: An Effective and Efficient Implementation of Object Detector》

1. 简介

  由于硬件的限制，往往需要舍弃准确率来确保算法的推理速度。本文的目的是实现一种具有相对平衡的既有效又高效的目标检测器，可以直接应用于实际的应用场景，而不是提出一种新的检测模型。以YOLOv3为基础进行开发，主要尝试结合现有的各种几乎不增加模型参数和FLOPs的多个的tricks，以尽可能提高检测器的精度，同时确保速度几乎不变。由于本文的所有实验都是基于PaddlePaddle进行的，所以称之为PP-YOLO。

  与YOLOv4不同，PP-YOLO没有探索新的的主干网络和数据增强方法，也没有使用NAS来搜索超参数。对于backbone，直接使用ResNet,对于数据增强，直接使用基本的MixUp。所以若是使用更好的骨干网络，使用更有效的数据增强方法，并使用NAS搜索超参数，可以进一步提高PP-YOLO的性能。

  本文的重点是如何堆叠一些几乎不影响效率的有效技巧，以获得更好的性能。这些技巧不能直接应用于YOLOv3的网络结构，因此需要进行小的修改。本文不打算介绍一种新的目标检测器。它更像是一个食谱，它会告诉你如何一步一步地构建一个更好的检测器。也发现了一些对YOLOv3检测器有效的技巧，可以节省开发人员的试验时间。

2. 算法

  PP-YOLO是一阶段的anchor-based的目标检测算法，包含backbone、Neck和Head。本文首先修改了YOLOv3的结构，并引入了一个修改后的版本，将backbone替换为ResNet50-vd-d-dcn。然后介绍了一些技巧，可以在几乎不失去效率的情况下提高YOLOv3的性能。

2.1 网络结构

2.1.1 Backbone

  YOLOv3的整体结构下图所示。在原始的YOLOv3中，DarkNet-53首先被用于提取不同尺度的特征图。ResNet已经得到了广泛的应用，研究也更加广泛，有更多不同的变体可供选择，它也通过深度学习框架得到了更好的优化。因此，本文PP-YOLO使用ResNet50-vd取代了原来的Backbone DarkNet-53。

  考虑到直接替换bacnbone可能造成原始检测器的性能，所以使用可变形卷积替换ResNet50-vd中的部分卷积层（可变形卷积网络（Deformable Convolutional Networks,DCN）的有效性已在许多检测模型中得到验证）。DCN本身不会增加模型的参数量和FLOPs，但在实际应用中，太多DCN层会明显增加推理时间。因此，为了平衡效率和性能，仅在最后一阶段，使用DCNs替换了3×3的卷积层。将这个修改后的Backbone表示为ResNet50-vd-dcn，阶段3、4和5的输出表示为C3、C4、C5。

2.1.2 Neck

  然后利用FPN构建一个特征图之间具有横向连接的特征金字塔。特征图C3、C4、C5输入到FPN模块，将金字塔级l的输出特征图表示为$P_l$，$l=3,4,5$，对于输入大小为W×H的图像，Pl的分辨率为 $\frac{W}{2^l}\times \frac{H}{2^l}$ ，FPN的详细结构如图所示。

2.1.3 Head

  YOLOv3的检测头十分简单，由两个卷积层组成，采用3×3卷积层和1×1卷积层得到最终的预测。每个最终预测的输出通道为$3\times (K+5)$，其中K为类别数。每个最终预测图上的每个位置都与三个不同的锚点相关联。对于每个锚点，前K个通道是K个类的概率预测，接下来的4个通道是对边界框位置的预测，最后一个通道是对objectness得分的预测。对于分类和定位，分别采用交叉熵loss和L1 loss，objectness loss用于监督客观性评分，用于识别是否存在对象。

2.2 trick的选择

  本文没有提出一种新的检测方法，而只是注重结合现有的trick来实现一种有效和高效的检测器。由于很多技巧不能直接应用于YOLOv3，所以本文需要根据它的结构进行调整。

• Larger Batch Size
  使用更大的batch size可以提高训练的稳定性，得到更好的效果。本文将训练的batch size从64改为192，并相应地调整训练schedule和学习率。

• EMA
  在训练一个模型时，保持训练参数的移动平均值通常是有益的。使用平均参数的评估有时会产生比最终训练值明显更好的结果。指数移动平均数（Exponential Moving Average,EMA）使用指数衰减来计算训练参数的移动平均数。对于每个参数W，保持一个阴影参数：
  $W_{EMA}=\lambda W_{EMA}+(1-\lambda )W_{EMA}$
  其中$\lambda$是衰减因子，本文使用λ为0.9998的EMA，并使用阴影参数$W_{EMA}$进行评估。

• DropBlock
  DropBlock是dropout的一种形式，丢掉一些特征图相邻区域的单元。与原论文不同的是，本文只将DropBlock应用于FPN，因为研究发现在backbone中添加DropBlock会导致性能下降。DropBlock的详细注入点在图中用“三角形”标记。

• IoU Loss
  边界框回归是目标检测的关键步骤，在YOLOv3中，边界框回归采用L1 loss。它不是为mAP评估指标定制的，它强烈依赖于交并比(IoU)。IoU loss和其他变形，如CIoU loss和GIoU loss已经被提出来解决这个问题。与YOLOv4不同的是，本文不直接用IoU loss代替l1 loss，而是添加了另一个分支来计算IoU loss。发现各种IoU loss的变体是相似的，所以本文选择了最基本的IoU loss。

• IoU Aware
  在YOLOv3中，分类概率和objectness得分相乘得到最终的检测置信度，这没有考虑定位精度。为了解决这一问题，增加了一个IoU预测分支来测量定位的精度。在训练过程中，采用IoU aware loss对IoU预测分支进行训练。在推理过程中，将预测的IoU乘以分类概率和objectness得分，计算出最终的检测置信度，这与定位精度的相关性更强。最后，将最终的检测置信度用作后续NMS的输入。IoU aware分支将增加额外的计算成本。但是，只添加了0.01%的参数和0.0001%的FLOPs，这几乎可以忽略不计。

• Grid Sensitive
  Grid Sensitive是在YOLOv4中引入的一个有效的技巧。当解码边界框中心x和y的坐标时，在原始的YOLOv3中，可以得到：
  
  其中 $\sigma$是$sigmoid$函数，$g_x$和$g_y$是整数，$s$是一个尺度因子。很明显，因为$sigmoid$很难完全等于0和1，所以$x$和$y$不能完全等于$s\cdot g_x$ 或$s\cdot (g_x+1)$ 。这使得很难预测仅位于网格边界上的边界框的中心。为了解决这个问题，通过改变方程到：
  
  在本文中$\alpha$设置为1.05，这使得模型更容易预测哪些位于网格边界上的边界盒中心。Grid Sensitive所增加的FLOPs非常很小，可以完全忽略。

• Matrix NMS
  Matrix NMS是由Soft-NMS修改得到的，Soft-NMS将其他检测分数衰减为重叠的单调递减函数。然而，这种过程像传统的贪婪NMS一样是顺序的，不能并行实现。Matrix NMS从另一个角度查看这个过程，并以并行的方式实现它。因此，Matrix NMS比传统的NMS速度快，不会带来任何效率损失。

• CoordConv
  CoordConv通过使用额外的坐标通道提供卷积访问自己的输入坐标。CoordConv允许网络学习完全的翻转不变性或不同程度的翻转依赖性。考虑到CoordConv将向卷积层添加两个输入通道，因此会增加一些参数量和FLOPs。为了尽可能减少效率的损失，本文不改变backbone中的卷积层，只用CoordConv替换FPN中的1x1卷积层和检测头中的第一个卷积层。CoordConv的详细注入点在图中用“方块”标记。

• SPP
  Spatial Pyramid Pooling (SPP)将SPM集成到CNN中，使用最大池化操作，而不是词袋操作。YOLOv4通过将最大池输出与内核大小k×k连接起来来应用SPP模块，其中k = {1,5,9,13}，步幅等于1。在这种设计下，相对较大的最大池有效地增加了主干特征的接受域。具体来说，SPP只应用于顶部特征图，如图2中带有“星号”标记的位置。SPP本身不引入任何参数，但下面的卷积层的输入通道数会增加。所以引入了大约2%的额外参数量和1%的额外FLOPs。

• Better Pretrain Model
  在ImageNet上使用具有较高分类精度的预训练模型可以获得更好的检测性能。本文使用蒸馏的ResNet50-vd模型作为Backbone，这显然不会影响检测器的效率。