YOLO-V1~V3经典物体检测算法介绍

大名鼎鼎的YOLO物体检测算法如今已经出现了V8版本，我们先来了解一下它前几代版本都做了什么吧。

本篇文章介绍v1-v3，后续会继续更新。

一、节深度学习经典检测方法概述

1.1 检测任务中阶段的意义

我们所学的深度学习经典检测方法 ，有些是单阶段的，有些是两阶段的：

• one-stage（单阶段）：YOLO系列

• two-stage（两阶段）：Faster-rcnn、Mask-Rcnn系列

单阶段：

我们进行物体检测，简单来说，只需要的到四个值就可以了(图片中某个物体的左上x1y1、右下x2y2角的坐标)，这四个值x1、y1、x2、y2我们通过回归任务就可完成。

只通过一个CNN网络提取特征，不去做其它的映衬，然后通过回归获得预测结果。

两阶段：

同样对于输入的图片通过CNN提取特征，最终结果依旧是获取猫的位置，只不过这里多了一个RPN区域建议网络，生成了多个预选框，我们最后在这些预选框里选择出所需要的结果。

1.2 不同阶段算法优缺点分析

one-stage：

• 最核心的优势：速度非常快，适合做实时检测任务！

• 但是缺点也是有的，效果通常情况下不会太好！

two-stage：

• 速度通常较慢（5FPS），但是效果通常还是不错的！

• 非常实用的通用框架MaskRcnn，建议熟悉下！

前面说到过了，像是YOLO特征提取后直接回归，步骤单一所以速度会比较快但是效果稍差，而像是Mask-Rcnn多了一步预选处理，效果不错但是速度会比较慢。一般视频任务中，我们要求实时监测，所以应该选用YOLO，当然FPS也是不固定的，总之网络越复杂，效果越好，速度越慢，反之那就反之。

1.3 YOLO指标计算

map指标：综合衡量检测效果；单看精度或recall不行吗？

• 精度：检测出来的框与实际是否吻合

• 召回率：有没有一些框没有检测到

二者一般相互矛盾，一个高了另一个就会低，所以单看某一个指标无法判断效果的好坏。

我们通常用mAP指标进行衡量。

IOU：交集和并集的比值

如图蓝色的是真实值/标记值，橙色是预测值，IOU越高，越接近1，效果越好，说明越“重合”。

我们希望橙色的预测框与蓝色的标记框越接近越重合越好(精度越高越好)，同时我们希望把图片中需要检测出来的东西全部检测出来(召回率越高越好)，比如上图如果还需要检测窗户等。

1.4 MAP指标计算

基于置信度阈值来计算，例如分别计算0.9；0.8；0.7

置信度：如检测的是人脸，置信度表示这是一个人脸的可能性。比所选置信度小的框就不要了。

如置信度选0.9时，对于上面三张图片：TP=1 FP=0 FN=2则Precision=1/1；Recall=1/3 ，即对于第一张图片是人脸也被检测出来了TP=1，第二三张图片是人脸没被检测出来(漏检)FN=2。

如何计算AP呢？需要把所有阈值0-1都考虑进来；MAP就是所有类别的平均。

上图纵坐标是精度，横坐标是召回率，可见精度高的时候召回率比较低，召回率高的时候精度比较低。

MAP即红线下方所围成的面积(取的最大值)，即右侧A1+A2+A3+A4

当然，我们希望MAP越接近1(一个大矩形)越好。

二、YOLO-V1整体思想与网络架构

2.1 YOLO算法整体思路解读

YOLO-V1：

• 经典的one-stage方法

• You Only Look Once，你只看一次，名字就已经说明了一切！

• 把检测问题转化成回归问题，一个CNN就搞定了！

• 可以对视频进行实时检测，应用领域非常广！

核心思想：

预测一张图片上有哪些个物体，比如下图，有狗、自行车、汽车。假设这张图片大小为7x7，一共49个格子，我们要求这49个格子自己预测在自己这个格子上的是什么物体。

比如图片左侧的狗落在图片的一个区域之中，但我们只关心它的中心点落在哪里，如图红色的格子它就负责预测这条狗，有一个物体落在红色格子上面了并且红色格子还是中心点。

49个格子预测自己所代表的是什么，或者说物体落到了以这个格子为中心点的话，这个格子需要把这个物体给预测出来。

如图红色的格子去做预测，但它也不知道狗长什么样子，但是有一些经验值比如一些物体是长方形的一些物体是正放心的h1w1,h2w2(如上图黄色的框)，显然对于上图长方形的框更好一点(有真实值，长方形的IOU更高，派他上场)，我们把候选框进行微调，即回归任务，找出最合适的h和w，并找出起始位置(v1：xy，hw)。

由于有很多个格子，就会产生很多个中心点坐标和候选框，但有一些框起来的不是一个物体(背景)，所以我们还需要一个置信度confidence，来确定框起来的是不是物体，不是(小于)那就去掉。

简单来说V1版本关键词：

四个偏移量：中心点、两种候选框(选其一)，x、y和h、w。

一个置信度的值:判断是否一个物体，是的话进行回归微调四个偏移量

2.2 网络架构解读

V1版本中，测试时输入大小为448*448*3，(训练时用224*224 当时计算机性能可能比较差，V2后进行改进。)相对来说是个固定值，进行特征提取，得到7*7*1024的特征图，进行全连接再reshape后，得到7*7*30。

其中，7*7就是前面说的那个“格子”，实际上一个格子代表这部分感受野的信息/特征等。

前面提到V1版本有两个候选框，h1w1x1y1和c1，h2w2x2y2和c2，这样就有了5+5=10个值，7*7*30这30里除了这10个值，剩下的20则是20分类，20个概率值。

这里B是框的个数=2，C是类别个数=20

(7*7) * (2*5+20)

2.3 位置损失计算

位置损失：

对于每个格子的每两个候选框，选择IOU最大的那个，计算真实值的预测值之间的差异(xywh)。

有些物体比较大，wh差不太多就可以，但对于小的物体，wh相差一定的值就会不好，因此这里将wh进行了开根号处理(数值较小的时候相对敏感一些)。

置信度误差：

一张图片的背景要多于前景，我们要分类讨论它预测的是前景还是背景。

我们让真实值前景置信度为1，背景为0。

如果一个候选框和真实框的IOU大于一定阈值如0.5，我们认为它是一个前景，希望它的confidence接近1(它毕竟不是一个真实框，有自己的IOU)，IOU越大越好。

小于0.5或者没有的时候，便是背景，置信度为0。

(自己的置信度-真实置信度)²，前景直接算背景加权重参数。

分类误差：

交叉熵计算。

2.4 NMS非极大值抑制

即我们最后会得到好多个框(经过IOU大于一定阈值筛选后)，先按置信度进行排序，选置信度最大的，别的就不要了。

2.5 优缺点分析

优点：

• 快速，简单！

缺点：

• 每个Cell只预测一个类别，如果重叠无法解决

• 小物体检测效果一般，长宽比可选的但单一

小物体一般检测不到，B1,B2候选框经验值一般是大的。假如多个物体重合在一起，如狗和猫前后在一起，一个格子预测结果出来是狗就预测不到猫了。多标签处理也不好做，如狗、斑点狗哈士奇等。

三、YOLO-V2改进细节

整体的网络架构和思想相较于V1没有变化，改进了网络在实现过程中的小细节。

加入上表那些细节后，mAP由63.4提升到了78.6。

3.1 YOLO-V2-Batch Normalization

• V2版本舍弃Dropout，卷积后全部加入Batch Normalization

• 网络的每一层的输入都做了归一化，收敛相对更容易

• 经过Batch Normalization处理后的网络会提升2%的mAP

• 从现在的角度来看，Batch Normalization已经成网络必备处理

3.2 YOLO-V2-更大的分辨率

• V1训练时用的是224*224，测试时使用448*448

• 可能导致模型水土不服，V2训练时额外又进行了10次448*448 的微调

• 使用高分辨率分类器后，YOLOv2的mAP提升了约4%

3.3 YOLO-V2-网络结构

• DarkNet网络结构(借鉴了VGG Restnet)，实际输入为416*416(为什么不是448？要被32整除才行，希望结果是奇数有实际中心点。)。

• 没有FC(全连接)层(容易过拟合、参数多训练慢)，5次降采样(2*2池化，共缩小了32倍)，最后得到13*13(416/32)的特征图(第一代版本7*7小了点，先验框也是。)。

• 3*3的卷积借鉴了VGG参数比较少感受野比较大。1*1卷积节省了很多参数，在1*1卷积这步只改变了特征图的个数。 ps：1*1卷积可以用来降维/升维，增加非线性特征(激活函数)等

注：上图output那一列仅供参考，实际上输入416输出13。

之前要全连接全连接reshape：

3.4 YOLO-V2-聚类提取先验框

• faster-rcnn系列选择的先验比例都是常规的，但是不一定完全适合数据集

• K-means聚类中的距离：，有的框大有的框小，使用欧氏距离的话大的框产生差异的情况也会比较大，所以使用IOU进行距离度量，IOU=1时效果越好d=0。

之前学的YOLO-V1里面B=2，但正常的物体不就是什么长方形正方形这两种形状，faster-rcnn这种2-stage的方法用了9种先验框，YOLO-V2版本一想自己也多加几种吧。

faster-rcnn里使用如1:1 1:2 2:1三种比例的框，每种比例分不同大小各3个，共9个框。YOLO-V2中使用聚类在某数据集如COCO中进行先验框提取，比如Kmean中的K=5那就分出5堆长宽比不同的先验框，每堆长宽相近，比如300：200一堆，316：271一堆，110：115一堆...。这样更加合适一些。

上图左边横坐标是Kmeans中k的取值，纵坐标是平均IOU。K越小，堆之间差异越大，K越大，堆之间差异越小越“细腻”，一般选K=5。右边就是那5个堆。

V1版本B=2，V2版本K=5，从两种框提升到了5种框。

3.5 YOLO-V2-Anchor Box

• 通过引入anchor boxes，使得预测的box数量更多（13*13*n）

• 跟faster-rcnn系列不同的是先验框并不是直接按照长宽固定比给定

上图可见有无先验框对mAP没怎么变(略微下降)。因为先验框多了也就是说框起来的虽然多了，但不一定框的都对。

但是召回率上升了，也就是查全率提升，图像中但凡有真实值标记出来的被检测出的可能性更大一点，毕竟框多了。

3.6 YOLO-V2-Directed Location Predictio

• bbox：中心为(xp,yp)；宽和高为(wp,hp)，则 。如tx=1,则将bbox在x轴向右移动wp；tx=−1则将其向左移动wp

• 这样会导致收敛问题(乱移动)，模型不稳定，尤其是刚开始进行训练的时候。V2中并没有直接使用上面的偏移量，而是选择相对grid cell的偏移量(这样无论怎么偏移都不会偏移出中心点这个格子)

计算公式为：

• 

• 

• 

• 

其中为sigmoid函数，这里用sigmoid函数是为了让预测框的中心位置位于grid中，这种对偏移量的约束一定程度上保证了训练时间减少，加快收敛。

相对grid cell左上角那个点的距离，用sigmoid压缩到了0-1之间，因为一个格子就是一个单位不能超过1；Cx、Cy是指这个左上角的点在13*13格子里的坐标，这里是1，1。

例如预测值(σtx,σty,tw,th)=(0.2, 0.1, 0.2, 0.32)，anchor框为 (注：这都是特征图grid cell的不是原始图像)

3.7 YOLO-V2-Fine-Grained Features

到最后一层，感受野太大了，小目标可能会丢失，需要融合之前的特征。

以YOLO-V2的DarkNet19为例，不光光要最后一层的13*13*1024，还要把中间层的特征图拿出来，比如中间的26*26*512，可以把它改写成4*13*13*512，这样和13*13*1024一进行叠加，就能得到既有大小目标通吃的13*13*3072的特征图了。

3.8 YOLO-V2-Multi-Scale

因为都是卷积没有全连接，所以输入大小可以不固定。一般照一张图片进行检测，如果把它resize成一定大小，效果没有以下方法好一些：一定iterations之后改变输入图片大小，即多尺度。

这样就让网络有了一定的适应能力，既能在大的分辨率检测到，也能在小的分辨率检测到。

3.9 总结

以上各点结合在一起就是YOLO-V2进行的细节改进，整体的结构相较于V1思想还是没有变的，都是one-stage方法，最后经过回归得到结果。

四、YOLO-V3核心网络模型

不像V2改进了许多细节，V3版本主要针对一点：网络架构的升级，即特征提取得更好一些。

上图横坐标表示预测时间，纵坐标表示mAP值。

• YOLO-V3最大的改进就是网络结构，使其更适合小目标检测

• 特征做的更细致，融入多持续特征图信息来预测不同规格物体

• 先验框更丰富了，3种scale，每种3个规格，一共9种

• softmax改进，预测多标签任务

4.1 多scale

为了能检测到不同大小的物体，设计了3个scale。

之前我们在V2中提到特征融合，比如把中间某层的特整图和最后的特征图整合到一起，达到“大小目标通吃”的效果，但是这样直接融合可能会把一些“擅长的东西淹没”。现在我们来想一想，由于感受野的存在，不同层的特征图虽都是特征提取，但实际细分做的工作还是不同的，比如前几次卷积更注重纹理轮廓颜色等，中间注重其它特征，后面的注重整体特征(感受野大)。

我们把负责不同工作的特征图放到一起，不如把它们分开来，如提取轮廓的都放到一起，注重整体的放到一起... 这样“分工明确”，效果会更好一些。

比如上图13*13的特征图感受野大，那就去预测大物体；26*26的特征图，感受野中等，去预测中等目标；52*52的特征图，感受野小，去预测小目标。只不过不是把这些大小的特征图单拿出来，在预测中目标时要参考大特征图；在预测小目标时要参考中特征图。

至于BOX1、BOX2、BOX3则是三种比例，共9种都不一样，下面会讲解。

scale变换经典方法

这里简单介绍3种：

法1. 图像金字塔

resize输入图片的大小，通过改变分辨率来得到不同大小的结果，13*13、26*26、52*52...

该方法可行，但在注重速度的YOLO上还是差了点。

法2.对不同的特征图分别利用

该方法也可行，但不如下面的好。

法3. 不同特征图融合后进行预测(YOLO-V3核心思想)

因为13*13的感受野大，可以把大目标识别好，但中等的“眼界”不如大的，小的“眼界”也不如中等的，因此不如让“老年人”帮帮中年人，让“中年人”帮帮小孩。这里，进行了特征融合。

把13*13的特征图通过上采样变成26*26的，与原本26*26的进行融合。“中年人”帮小孩同理。

4.2 残差连接

从今天的角度来看，基本上所有的网络架构都用上了残差连接的方法。V3中也用了resnet的思想，堆叠更多的层来进行特征提取。

在过去14年VGG出现，人们以为卷积层数越多越好，但实际上通过测试发现发现越学越差，比如16层的时候要比30的好。因为无法保证卷积的时候，在某特征图之上继续提取特征效果会更好。

后来15还是16年诞生Resnet 残差网络，如果新加进来的这层效果不好，我把它的权重设为0 不用这一层。 即好的我们要不好的不要。

4.3 核心网络架构-DarkNet53

可以看到里面加入了残差块。

• 没有池化和全连接，全部卷积。

• 下采样通过stride为2实现。

• 3中scale，更多先验框。

看上图右下角部分，得到13*13*75结果，(这里75根据不同任务设置的，我们主要看前面的)，它前面13*13*1024特征图还进行了26*26*256的上采样与26*26*512的特征图进行融合，得到26*26*768的融合特征图，在经过卷积变换->26*26*256->输出26*26*75。完成“老人给中年人提建议”。"中年人给小孩提建议"同理，小孩融合了中年人和老年人的建议。

在V1中网格7*7，V2中网格为13*13，V3则是有3种：13*13、26*26、52*52

以13*13为例，输出结果13*13*3*85，其中13是网格数，3是3种比例的先验框BOX123，85里分为4个xywh坐标值、1个置信度(前景还是背景)，剩下的80则是任务的类别数量。

26*26、52*52同理。

4.4 先验框设计

V1中2(B=2)个，V2中5(K=5)个，V3中9(3*3)个。

3种scale，每种3个规格，一共9种

如下图：黄色表示标签 蓝色表示先验框的大小

4.5 softmax层改进

• 物体检测任务中可能一个物体有多个标签

• logistic激活函数来完成，这样就能预测每一个类别是/不是，即概率越接近1，损失越接近0，概率越接近0损失越无穷大。

这样比如检测猫输出结果的数组中，猫的概率0.7，狗的概率0.3，加菲猫的概率0.8，幼年猫的概率0.7... 我们可以设置一个阈值来进行筛选。

4.6 总结

• YOLO-V3最大的改进就是网络结构，使其更适合小目标检测

• 特征做的更细致，融入多持续特征图信息来预测不同规格物体

• 先验框更丰富了，3种scale，每种3个规格，一共9种

• softmax改进，预测多标签任务