【目标检测】单阶段算法--YOLOv2详解

论文题目：《YOLO9000: Better, Faster, Stronger》
论文地址：https://arxiv.org/pdf/1612.08242.pdf

一文读懂YOLOv1：YOLOv1
一文读懂YOLOv3：YOLOv3
一文读懂YOLOv4：YOLOv4

1. 前言

       在前面的一篇文章中，我们详细介绍了YOLOv1的原理以及实现过程。这篇文章接着介绍YOLOv2的，YOLOv2的论文全名为YOLO9000: Better, Faster, Stronger，它斩获了CVPR 2017 Best Paper Honorable Mention。在这篇文章中，作者首先在YOLOv1的基础上提出了改进的YOLOv2，然后提出了一种检测与分类联合训练方法，使用这种联合训练方法在COCO检测数据集和ImageNet分类数据集上训练出了YOLO9000模型，其可以检测超过9000多类物体。所以，这篇文章其实包含两个模型：YOLOv2和YOLO9000，不过后者是在前者基础上提出的，两者模型主体结构是一致的。YOLOv2相比YOLOv1做了很多方面的改进，这也使得YOLOv2的mAP有显著的提升，并且YOLOv2的速度依然很快，保持着自己作为one-stage方法的优势，YOLOv2和Faster R-CNN, SSD等模型的对比如下图所示。下面将首先介绍YOLOv2针对YOLOv1改进策略。

大致流程：

2. 改进策略

       在上篇文章对YOLOv1的介绍中已经提出了YOLOv1存在的明显缺点，YOLOv2提出了好几种改进策略来提升YOLO模型的效果，下图列出来各项改进策略对mAP的提升效果。

1. Batch Normalization（加入BN层）

       Batch Normalization有助于解决反向传播过程中的梯度消失和梯度爆炸问题，降低对一些超参数（比如学习率、网络参数的大小范围、激活函数的选择）的敏感性，可以提升模型收敛速度，而且可以起到一定正则化效果，降低模型的过拟合。在YOLOv2中，每个卷积层后面都添加了Batch Normalization层，并且不再使用droput。使用Batch Normalization后。

– YOLOv2的mAP提升了2.4%。

2. High Resolution Classifier（使用高分辨率图像微调分类模型）

       图像分类的训练样本很多，而标注了边框的用于训练对象检测的样本相比而言就比较少了，因为标注边框的人工成本比较高。所以对象检测模型通常都先用图像分类样本训练卷积层，提取图像特征。但这引出的另一个问题是，图像分类样本的分辨率不是很高。所以YOLO v1使用ImageNet的图像分类样本采用 224*224 作为输入，来训练CNN卷积层。然后在训练对象检测时，检测用的图像样本采用更高分辨率的 448×448 的图像作为输入。但这样切换对模型性能有一定影响。
       所以YOLO2在采用 224×224 图像进行分类模型预训练后，再采用 448×448 的高分辨率样本对分类模型进行微调（10个epoch），使网络特征逐渐适应 448×448 的分辨率。然后再使用 448×448 的检测样本进行训练，缓解了分辨率突然切换造成的影响。

– mAP提升了3.7。

3. Convolutional With Anchor Boxes（采用先验框）

       在YOLOv1中，输入图片最终被划分为7×7网格，每个单元格预测2个边界框。YOLOv1中包含全连接层，从而能直接预测bounding boxes的坐标值，其中边界框的宽与高是相对整张图片大小的。（Faster R-CNN的方法只用卷积层与Region Proposal Network来预测Anchor Box的偏移量与置信度，而不是直接预测坐标值）。由于各个图片中存在不同尺度和长宽比（scales and ratios）的物体，YOLOv1在训练过程中学习适应不同物体的形状是比较困难的，这也导致YOLOv1在精确定位方面表现较差。作者发现通过预测偏移量而不是坐标值能够简化问题，让网络学习起来更容易。
       借鉴Faster R-CNN的做法，YOLOv2移除了YOLOv1中的全连接层而采用了卷积核anchor boxes来预测边界框。通过在每个cell预先设定一组不同大小和宽高比的边框，来覆盖整个图像的不同位置和多种尺度。同时为了使检测实用的特征图分辨率更高，去掉了网络中的一个pooling层。并且网络输入图像尺寸变为416×416，而不是原来的448×448。
       由于图片中的物体都倾向于出
现在图片的中心位置，特别是那种比较大的物体，所以有一个单独位于物体中心的位置用于预测这些物体。YOLO的卷积层采用32这个值来下采样图像，所以网络输入为416×416，输出为13×13的feature map。使用Anchor Box会让精确度稍微下降，但用了它能使YOLO能预测出13×13×9=1521个框。因此相对于YOLO
v181%的召回率，YOLOv2的召回率大幅度提升到88%。

– mAP下降0.2%，recall大幅度提升到88%。意味着模型有更多的提升空间。

4. Dimension Clusters（聚类提取先验框）

       在Faster R-CNN和SSD中，先验框的维度（长和宽）都是手动设定的，带有一定的主观性。如果选取的先验框维度比较合适，那么模型更容易学习，从而做出更好的预测。因此，YOLOv2采用k-means聚类方法对训练集中的边界框做了聚类分析，以寻找尽可能匹配样本的边框尺寸。
       聚类算法最重要的是选择如何计算两个边框之间的“距离”，对于常用的欧式距离，大边框会产生更大的误差。而且设置先验框的主要目的是为了使得预测框与ground truth的IOU更好，所以聚类分析时选用box与聚类中心box之间的IOU值作为距离指标：

       centroid是聚类时被选作中心的边框，box就是其它边框，d就是两者间的“距离”。IOU越大，“距离”越近。YOLO2给出的聚类分析结果如下图所示：

       上图左边是选择不同的聚类k值情况下，得到的k个centroid边框，计算样本中标注的边框与各centroid的Avg IOU。显然，边框数k越多，Avg IOU越大。YOLO2选择k=5作为边框数量与IOU的折中。对比手工选择的先验框，使用5个聚类框即可达到61 Avg IOU，相当于9个手工设置的先验框60.9 Avg IOU。
       上图右边显示了5种聚类得到的先验框，VOC和COCO数据集略有差异，不过都有较多的瘦高形边框。

5. Direct location prediction（约束预测边框的位置）

6. Fine-Grained Features（passthrough层检测细粒度特征）

       YOLOv2的输入图片大小为416×416，经过5次maxpooling之后得到13×13大小的特征图，并以此特征图采用卷积做预测。13×13大小的特征图对检测大物体是足够了，但是对于小物体还需要更精细的特征图（Fine-Grained Features）。因此SSD使用了多尺度的特征图来分别检测不同大小的物体，前面更精细的特征图可以用来预测小物体。YOLOv2提出了一种passthrough层来利用更精细的特征图。YOLOv2所利用的Fine-Grained Features是26×26大小的特征图（最后一个maxpooling层的输入），对于Darknet-19模型来说就是大小为26×26×512的特征图。passthrough层与ResNet网络的shortcut类似，以前面更高分辨率的特征图为输入，然后将其连接到后面的低分辨率特征图上。前面的特征图维度是后面的特征图的2倍，passthrough层抽取前面层的每个2×2的局部区域，然后将其转化为channel维度，对于26×26×512的特征图，经passthrough层处理之后就变成了13×13×2048的新特征图（特征图大小降低4倍，而channles增加4倍，这样就可以与后面的13×13×1024特征图连接在一起形成13×13×3072的特征图，然后在此特征图基础上卷积做预测。具体实现方式如下图所示。（注意此处的连接使用的是concatenate连接方式，即通道拼接）

注：对于卷积神经网络提取图像特征的整个过程而言：浅层特征图包含的更多的是物理信息（如物体的边缘、角点）；深层特征图包含的是语义信息（如房子、汽车）。对于检测任务而言，要同时进行分类与检测，分类需要的是语义信息，而检测更多的是需要物体的物理信息。因此融合浅层特征可以提升检测的效果。

7. Multi-Scale Training（多尺度图像训练）

       由于YOLOv2模型中只有卷积层和池化层，所以YOLOv2的输入可以不限于416×416大小的图片。为了增强模型的鲁棒性，YOLOv2采用了多尺度输入训练策略，具体来说就是在训练过程中每间隔一定的iterations之后改变模型的输入图片大小。由于YOLOv2的下采样总步长为32，输入图片大小选择一系列为32倍数的值：{320，352，…，608}，输入图片最小为320×320，此时对应的特征图大小为10×10，而输入图片最大为608*608,对应的特征图大小为19×19。在训练过程，每隔10个iterations随机选择一种输入图片大小，然后只需要修改对最后检测层的处理就可以重新训练。 这样训练出来的模型可以预测多个尺度的物体。并且，输入图片的尺度越大则精度越高，尺度越小则速度越快，因此YOLOv2多尺度训练出的模型可以适应多种不同场景的要求。

       采用Multi-Scale Training策略，YOLOv2可以适应不同大小的图片，并且预测出很好的结果。在测试时，YOLOv2可以采用不同大小的图片作为输入，在VOC 2007数据集上的效果如下图所示。可以看到采用较小分辨率时，YOLOv2的mAP值略低，但是速度更快，而采用高分辨输入时，mAP值更高，但是速度略有下降，对于544*544，mAP高达78.6%。注意，这只是测试时输入图片大小不同，而实际上用的是同一个模型（采用Multi-Scale Training训练）。

以上改进策略可以大致划分为：
1）网络结构的改进：1、6
2）先验框的设计：3、4、5
3）工程技巧（训练细节）：2、7

3. 网络结构

       为了进一步提升速度，YOLO2提出了Darknet-19（有19个卷积层和5个MaxPooling层）网络结构。DarkNet-19比VGG-16小一些，精度不弱于VGG-16，但浮点运算量减少到约1/5，以保证更快的运算速度。具体结构如下图所示。
       由图中可以看出，相比于v1版本的基础网络，DarkNet进行了一下几点改进：
● 使用了BN层。
● 添加了passthrough层。
● 用连续的3×3卷积代替了v1版本中的7×7卷积，这样既减少了计算量，又增加了网络深度，此外，DarkNet去掉了全连接层和Dropout层。
● 由于YOLOv2在每一个区域预5个边框，每个边框有25个预测值，因此最后输出的特征图通道数为125。其中，一个边框的25个预测值分别是20个类别预测，4个位置预测及1个置信度预测值。这里和v1有很大区别，v1是一个区域内的边框共享类别预测，而这里则是相互独立的类别预测值（即解决YOLOv1中每个cell只能预测一个物体的缺点）。

（在上图中可以看到蓝色框中在经过pass through layer之后特征图大小变为13×13×256，为什么和前面提到的passthrough层抽取前面层的每个2×2的局部区域，然后将其转化为channel维度，对于26×26×512的特征图，经passthrough层处理之后就变成了13×13×2048的新特征图不一样呢。因为在前面提到的是作者在论文中写的，而作者给的代码中在pass thought layer之前先将特征图（26×26×512）经过1×1卷积之后变为（26×26×64），再做运算。这样可以很大程度上减少运算量。）

4. 训练

4.1. 训练细节

       YOLOv2的训练主要包括三个阶段：
1）第一阶段，先在ImageNet分类数据集上预训练Darknet-19，此时模型输入为224×224，共训练160个epochs。
2）第二阶段，将网络的输入调整为448×448，继续在ImageNet数据集上finetune分类模型，训练10个epochs，让模型适应变化的尺度。此时分类模型的top-1准确度为76.5%，而top-5准确度为93.3%。
3）第三阶段，修改Darknet-19分类模型为检测模型，并在检测数据集上继续finetune网络。网络修改包括：移除最后一个卷积层、global avgpooling层以及softmax层，并且新增了三个3×3×2014卷积层，同时增加了一个passthrough层，最后使用1*1卷积层输出预测结果，输出的channels数为：num_anchors×(5+num_classes)，和训练采用的数据集有关系。由于anchors数为5，对于VOC数据集（20种分类对象）输出的channels数就是125，最终的预测矩阵T的shape为 (batch_size, 13, 13, 125)，可以先将其reshape为 (batch_size, 13, 13, 5, 25) ，其中 T[:, :, :, :, 0:4] 为边界框的位置和大小 （tx，ty，tw，th） ，T[:, :, :, :, 4] 为边界框的置信度，而 T[:, :, :, :, 5:] 为类别预测值。过程如下图所示。

注：前面提到的多尺度训练也可算做训练细节。

4.2. 正负样本选择及损失函数

       YOLOv2论文中并没有给出YOLOv2的训练过程的两个最重要方面：即正负样本的选择以及训练的损失函数。我们可以默认按照YOLOv1的处理方式来处理。这部分可以参照YOLOv1。

5. 总结

       总结来看，虽然YOLOv2做了很多改进，但是大部分都是借鉴其它论文的一些技巧，如Faster R-CNN的anchor boxes，YOLOv2采用anchor boxes和卷积做预测，这基本上与SSD模型（单尺度特征图的SSD）非常类似了，而且SSD也是借鉴了Faster R-CNN的RPN网络。从某种意义上来说，YOLOv2和SSD这两个one-stage模型与RPN网络本质上无异，只不过RPN不做类别的预测，只是简单地区分物体与背景。在two-stage方法中，RPN起到的作用是给出region proposals，其实就是作出粗糙的检测，所以另外增加了一个stage，即采用R-CNN网络来进一步提升检测的准确度（包括给出类别预测）。而对于one-stage方法，它们想要一步到位，直接采用“RPN”网络作出精确的预测，要因此要在网络设计上做很多的tricks。YOLOv2的一大创新是采用Multi-Scale Training策略，这样同一个模型其实就可以适应多种大小的图片了。
       YOLOv2相较于之前的版本有了质的飞跃，主要体现在吸收了其他算法的优点，使用了先验框、特征融合等方法，同时利用了多种训练技巧，使得模型在保持极快速度的同时大幅度提升了检测的精度。YOLOv2已经达到了较高的检测水平，但如果要分析其不足的话，大体有一下3点：
● 单层特征图：虽然采用了Passthought层来融合浅层特征，增强多尺度检测性能，但仅仅采用一层特征图做预测，细粒度仍然不够，对小物体等检测提升有限，并且没有使用残差这种较为简单、有效的结构。
● 受限于其整体结构，仍然没有很好地解决小物体的预测问题。
● 太工程化：YOLOv2的整体实现有较多工程化调参的过程，尤其是后续损失计算有些复杂，不是特别“优雅”，导致后续改进与扩展空间不足。