YOLO v1阅读笔记

摘要

作者提出了一种目标检测的网络，将目标检测问题当做一种回归问题，同时回归出box和class，一种可以端到端训练的single network，最主要的优点就是检测的速度非常快，YOLO可以达到45 fps，Fast YOLO可以达到 155 fps，同时保持较高的检测精度。

工作原理

图片处理流程：

1.resize图片到448x448
2.将图片输入single network当中
3.nms

1. 网格划分：将输入image划分为 S×S S × S 个grid cell，如果image中某个object box的中心落在某个grid cell内部，那么这个cell就对检测该object负责（responsible for detection that object）。同时，每个grid cell同时预测 B B 个bounding box的位置和一个置信度。这个置信度并不只是该bounding box是待检测目标的概率，而是该bounding box是待检测目标的概率乘上该bounding box和真实位置的IoU的积。通过乘上这个交并比，反映出该bounding box预测位置的精度。
   
2. 网络输出：每个bounding box对应于5个输出，分别是x,y,w,h x , y , w , h 和上述提到的置信度。其中， x,y x , y 代表bounding box的中心离开其所在grid cell边界的偏移。 w,h w , h 代表bounding box真实宽高相对于整幅图像的比例。 x,y,w,h x , y , w , h 这几个参数都已经被bounded到了区间 [0,1] [ 0 , 1 ] 上。除此以外，每个grid cell还产生 C C 个条件概率，P(Classi|Object) P ( Class i | Object ) 。注意，我们不管 B B 的大小，每个grid cell只产生一组这样的概率。在test的非极大值抑制阶段，对于每个bounding box，我们应该按照下式衡量该框是否应该予以保留。
3. 实际参数：在PASCAL VOC进行测试时，使用S=7 S = 7 , B=2 B = 2 。由于共有20类，故 C=20 C = 20 。所以，我们的网络输出大小为 7×7×30 7 × 7 × 30

网络结构

网络有24个卷基层和2个全连接层组成，Fast YOLO 有9个卷基层，其余的训练和测试参数与YOLO相同。最后输出的是 7×7×30 7 × 7 × 30 的tensor

训练

1. 作者在Image-Net上进行了1000个类别的与训练，预训练了前20个卷基层。随后又增加了4个卷积和2个全连接层（因为全连接层可以提高预训练网络的效果）并随机初始化参数。
2. 在训练的过程中，将中心的坐标 x x 和y y norm到 [0,1] [ 0 , 1 ] ，将坐标表示为所在 cell c e l l 的 offset o f f s e t ；把bbox的 w w 和h h 也norm到 [0,1] [ 0 , 1 ] ，通过图像的大小进行norm。
3. 在最后一个全连接层使用了线性激活函数，其他的使用了 leaky rectified 激活函数。
4. loss使用平方损失和，因为容易优化，但是这对精度并没有多好的效果，因此就在loss上面进行了改进。
5. 平等对待分类的损失和box的损失并不好，并且在大多数 cell c e l l 中并不包含物体，因此，导致了最后没有物体的 cell c e l l 的 confidence c o n f i d e n c e 直接等于0，造成最后的模型过早的收敛。因此对于存在物体的损失和不存在物体的损失都进行计算，加了不同的权重，λcoord=5，λnoobj=0.5
6. 直接使用w和h进行loss计算，会导致大的box和小的box在损失计算的时候不均衡，因此讲w和h变成 w‾‾√ w 和 h‾√ h 。
   最后的损失公式如下：
   
7. 训练的参数：235 epoch，batch size 64， momentum 0.9， dacay 0.0005，学习率随着训练轮次的不同手动调整了。防止过拟合使用了 dropout 0.5，对于原始数据进行了增广（缩放、翻转、曝光和饱和度）
8. 最后多检测的结果进行nms

　YOLO的一些局限：

1. 对于两个box非常接近检测效果不好（可能因为两个box都在一个cell中，最终只取了一个较高的结果作为输出，因此没有检测到两个）
2. 对于小物体检测效果不好
3. 在loss中对待小物体的loss和大物体的loss是一样，这样效果不好，因为一个非常小的error对于大的box来说，检测的已经很好了，但是对于小的box来说，检测的效果就不能说明很好。

实验

在实验的过程当中，在深度学习方面，主要与two-stage的Faster Rcnn系列进行了比较，精度上不如FRCNN，但是检测速度可以到达实时，针对背景检测的情况，YOLO检测效果更好。
还使用FRCNN和YOLO进行了联合检测实验，检测精度提高了一些。

总结

1. 使用了single network实现了端到端的检测和分类的网络，检测速度非常快，45 fps可以达到实时的检测。
2. 在loss方面进行了物体与非物体的loss分配，并对box的loss 做了改进。
3. 网络结构比较简单。

过了一遍论文，看的不是非常仔细，记录下来，写的不对的请见谅。