yolov8的目标检测、实例分割、关节点估计的原理解析

1 YOLO时间线

这里简单列下yolo的发展时间线，对每个版本的提出有个时间概念。

2 yolov8 的简介

工程链接：https://github.com/ultralytics/ultralytics

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2.1 yolov8的特点

1. 采用了anchor free方式，去除了先验设置可能不佳带来的影响
2. 借鉴Generalized Focal Loss，使用任务解耦，分别学习box，class。并将box边框的学习，从回归的形式更换成交叉熵的形式
3. 增加了实例分割的功能，该模块借鉴了 YOLACT 的思想

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2.2 yolov8 的相关参数

以上为官方视图：

1. YOLOv8 相比 YOLOv5，mAP提升较多
2. 左图可得： N/S/M 模型相应的参数量和 FLOPs 都增加了不少
3. 右图可得：相比 YOLOV5，YOLOv8 大部分模型推理速度变慢

 
其中目标检测模型的相关参数如下图，更多的看查阅工github的官方工程：

以下章节分别对yolov8的目标检测、实例分割、关键点估计、目标跟踪进行介绍

3 yolov8 目标检测

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3.1 网络结构

• 【backbone】C2f、SPPF、Conv_BN_SiLU（strides=2，用于下采样）
• 【neck】FPN（特征金字塔网络）、PAN（路径聚合网络）
• 【head】Conv_BN_SiLU的堆叠分别输出：box、cls
   

YOLOV5 VS YOLOV8

• 【backbone】
  第一个Conv的kernel：yolov5的 6*6 --> yolov8的 3*3；
  C3模块替换了C2f，其数量从yolov5的 3-6-9-3，变成了yolov8的 3-6-6-3。
• 【neck】
  yolov8中 FPN中去除第一个的卷积；
  yolov8中的N/S、M、L/X 三组网络中最后的C2f输出通道不同，分别为1024,768,512。
• 【head】
  yolov5中单个Conv_BN_SiLU，同时输出三个信息：obj、cls、box
  yolov8中使用Conv_BN_SiLU的堆叠，并分支输出两个信息：box、cls。
   

3.1.1 SiLU的激活函数

这里说下激活函数SiLU的激活函数
silu ( x ) = x ∗ σ ( x ) , where  σ ( x )  is the logistic sigmoid. \text{silu}(x) = x * \sigma(x), \text{where } \sigma(x) \text{ is the logistic sigmoid.}silu(x)=x∗σ(x),where σ(x) is the logistic sigmoid.

3.1.2 C3 & C2f

C2f相较于C3，有更多的跳层连接，与更多的特征的concat，梯度流更丰富。有助于更为丰富的特征的融合和提取

3.1.3 SPP & SPPF 空间金字塔池化

1. 上图是SPPNET原论文中提出的：提取并融合更多尺度的特征，使用fc_layer的同时并能够适应不同尺寸的输入
   
2. 下左图是YOLOV5、YOLOV8中使用的SPP：继承了原SPP的提取更多尺度的特征，但结构上已更新
3. 下右图是fast SPP，对SPP进行了改进，减小参数的、增加运算速度，但不改变计算结果
   

3.1.4 head

yolov5的head 的每层中分别为一个分支，同时预测3个内容：检测框质量（1 是否为目标 ∗ i o u p r e d , l a b e l 1_{是否为目标}*iou_{pred,label}1是否为目标​∗ioupred,label​）、类别的onehot、box的xywh。
与yolov5不同，yolov8的目标检测解耦了目标框和类别的预测，每层有两个分支，分别预测：类别的o n e h o t ∗ i o u p r e d , l a b e l onehot*iou_{pred,label}onehot∗ioupred,label​、box的xywh。

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3.2 目标检测的head输出

yolov8 的目标检测头，采用了Generalized Focal Loss，详细的内容可以看链接中的论文阅读，这里说明下关键点

3.2.1 定位质量与类别

• 已有工作问题：训练和测试之间的差距，并可能会降低检测性能
  
• GFL工作解决：分类IoU联合表示
  分类onehot向量的标签 在真实类别位置上的是其相应的定位质量（预测box与标签box的iou）。也就是：类别的o n e h o t ∗ i o u p r e d , l a b e l onehot*iou_{pred,label}onehot∗ioupred,label​。
  训练时和测试时使用相同的规则，它消除了训练-测试的不一致性，并使定位质量和分类之间具有最强的相关性。
  
• 举例子：
  左边为已有工作，右边为GFL，针对分类项目可称为QFL

3.2.1 box的预测

• 已有工作：
  边界框表示是唯一确定的位置，为一个简单的狄拉克分布，并采用回归方式进行训练。
  问题：但是，它没有考虑到数据集的模糊性和不确定性。如下图中的边界不清晰，因此真实标签(白色框)有时不可信，狄拉克分布无法很好的表示这些问题。
• GFL工作：
  对于边界框表示，直接学习box位置上的离散概率分布，而不引入任何其他更强的先验（比如统计出来的anchor）。因此，我们可以获得更可靠和准确的边界框估计，同时了解它们的各种潜在分布。
  给定标签y的范围为y 0 ≤ y ≤ y n ， n ∈ N + y_0≤y≤y_n，n∈N^+y0​≤y≤yn​，n∈N+，我们可以从模型中得到估计值 y ^ \hat{y}y^​, 也满足y 0 ≤ y ^ ≤ y n y_0≤\hat{y}≤y_ny0​≤y^​≤yn​：y ^ = ∫ − ∞ + ∞ P ( x ) x d x = ∫ y 0 y n P ( x ) x d x \hat{y}=\int_{-\infty }^{+\infty }P(x)xdx=\int_{y_0}^{y_n}P(x)xdxy^​=∫−∞+∞​P(x)xdx=∫y0​yn​​P(x)xdx为了与卷积神经网络保持一致，我们将连续域上的积分转换为离散表示，从离散范围[y0，yn]到一个集合{ y 0 ， y 1 ， . . . ， y i ， y i + 1 . . . ， y n − 1 ， y n } \{y0，y1，...，y_i，y_{i+1}...，y_{n−1}，y_n\}{y0，y1，...，yi​，yi+1​...，yn−1​，yn​}，其间隔∆=1。因此，给定离散分布性质∑ i = 0 n P ( y i ) = 1 \sum_{i=0}^{n}P(y_i)=1∑i=0n​P(yi​)=1，估计的回归值y ^ \hat{y}y^​可以表示为：y ^ = ∑ i = 0 n P ( y i ) y i \hat{y}=\sum_{i=0}^{n}P(y_i)y_iy^​=i=0∑n​P(yi​)yi​
  尝试多种分布，最终发现下图第三种效果最好
  
• 举例子：
  左边为已有工作，右边为GFL，针对分类项目可称为DFL
  
• 算法具体实现：
  主要的公式为：∑ i = 0 n P ( y i ) = 1 \sum_{i=0}^{n}P(y_i)=1∑i=0n​P(yi​)=1、y ^ = ∑ i = 0 n P ( y i ) y i \hat{y}=\sum_{i=0}^{n}P(y_i)y_iy^​=∑i=0n​P(yi​)yi​。然后我们仅使用边界的浮点型位置，使用相邻的两个整数表达。
   
  假设第三个输出层的尺寸上的标签(6.25, 4.75, 18.375, 12.875)，此时框的中心设为(11,9)，左边框距离anchor为5.75= 11-6.25。则用长度为16的向量表示该距离d l d_ldl​：[0,0,0,0,0.25, 0.75,0,0,0,0, 0,0,0,0,0, 0]。该向量满足内容为：∑ i n d e x ∗ v a l u e = 5.75 \sum index*value=5.75∑index∗value=5.75，∑ v a l u e = 1 \sum value=1∑value=1。

长度为16的向量最大可表达像素距离为15，那么这种表达方式，像素级最大可表达30*30的框。当模型共有5层，在第三个输出层是下采样了32倍，则30*30的框，在原尺寸上的大小为960*960。
所以只要网络输入尺寸<= 960，用四个长度为16的向量来表示框的四个边距离base点的距离，都可正确表达。若图片>960，理论上就需要增加向量的长度，但实际情况会现将图片先进行切割，然后多次预测，结果再转换到原图尺寸上。

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3.3 正样本分配

yolov5中的正样本分配 是在训练之前已经完全确定了。
yolov8 中的正样本分配 TaskAlignedAssigner，属于动态分配，会根据当前网络输出的信息动态匹配 需要监督的标签。

1. 计算 在每层中标签box内的每个grid ceil上预测的box，与标签box的iou；计算对齐衡量指标（匹配得分）。a l i g n _ m e t r i c = s α ∗ u β align\_metric =s^{\alpha }*u^{\beta}align_metric=sα∗uβ其中 s 和 u 分别表示分类得分和IoU，α 和 β 是权重系数用来控制两个任务对匹配得分的影响大小
2. 获取标签box内top10的 align_metric 的位置的mask，如图2。
3. 当一个gridceil预测出的box 同时与多个真实框匹配上，则保留ciou值最大的真实框。如图3。
4. 得到 target_bboxes, target_scores, fg_mask。
   

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3.4 损失函数

• 分类的gt_class --> target_class
  target_class的转换（分类IoU联合表示）：分类的onehot * iou(pred_box, label_box)。pred_class为长度为分类数量的向量。
  则分类IoU联合表示的损失函数：sigmoid交叉熵。在代码中为：nn.BCEWithLogitsLoss

          self.bce = nn.BCEWithLogitsLoss(reduction='none')
          loss[1] = self.bce(pred_scores, target_scores.to(dtype)).sum() / target_scores_sum  # BCE
  

  这里补充下在pytorch中的损失函数的一些api

  nn接口	function接口
  nn.NLLLoss	F.nll_loss
  nn.BCELoss	F.binary_cross_entropy
  nn.BCEWithLogitsLoss	F.binary_cross_entropy_with_logits
  nn.CrossEntropyLoss = softmax + log + NLLloss	F.cross_entropy

  我们使用ℓ ( x , y ) \ell(x,y)ℓ(x,y)来表示损失函数，则有ℓ ( x , y ) = L = { l 1 , … , l N } ⊤ \ell(x, y) = L = \{l_1,\dots,l_N\}^\topℓ(x,y)=L={l1​,…,lN​}⊤其中【N】batch、【x】input（在使用中一般为网络输出的内容）、【y】target、【x n , y n x_{n,y_n}xn,yn​​】表示对应target那一类的概率。

  • - nn.NLLLoss()：
    l n = − w y n x n , y n l_n = - w_{y_n} x_{n,y_n}ln​=−wyn​​xn,yn​​
  • nn.BCELoss中：
    l n = − w n [ y n ⋅ log ⁡ ( x n ) + ( 1 − y n ) ⋅ log ⁡ ( 1 − x n ) ] l_n = - w_n \left[ y_n \cdot \log (x_n) + (1 - y_n) \cdot \log (1 - x_n) \right]ln​=−wn​[yn​⋅log(xn​)+(1−yn​)⋅log(1−xn​)]
  • nn.BCEWithLogitsLoss = sigmoid + BCELoss
    l n = − w n [ y n ⋅ log ⁡ 1 1 + exp ⁡ ( − x n ) + ( 1 − y n ) ⋅ log ⁡ ( 1 − 1 1 + exp ⁡ ( − x n ) ) ] l_n = - w_n \left[ y_n \cdot \log \frac{1}{1+\exp(-x_n)} + (1 - y_n) \cdot \log (1 - \frac{1}{1+\exp(-x_n)}) \right]ln​=−wn​[yn​⋅log1+exp(−xn​)1​+(1−yn​)⋅log(1−1+exp(−xn​)1​)]
  • CrossEntropyLoss = softmax + log + NLLloss 
    l n = − ∑ c = 1 C w c log ⁡ exp ⁡ ( x n , c ) exp ⁡ ( ∑ i = 1 C x n , i ) y n , c l_n = - \sum_{c=1}^C w_c \log \frac{\exp(x_{n,c})}{\exp(\sum_{i=1}^C x_{n,i})} y_{n,c}ln​=−c=1∑C​wc​logexp(∑i=1C​xn,i​)exp(xn,c​)​yn,c​
    N L L ( l o g ( s o f t m a x ( i n p u t ) ) , t a r g e t ) = − Σ i = 1 n O n e H o t ( t a r g e t ) i × l o g ( s o f t m a x ( i n p u t ) i ) \mathbf{NLL(log(softmax(input)),target)= -\Sigma_{i=1}^n OneHot(target)_i\times log(softmax(input)_i)}NLL(log(softmax(input)),target)=−Σi=1n​OneHot(target)i​×log(softmax(input)i​)
    ( i n p u t ∈ R m × n ) (input∈Rm×n)(input∈Rm×n)

• box 的 gt_class --> target_class

  • CIOU：以往box检测框的损失函数都会使用的一项。
    考虑三种几何参数：重叠面积、中心点距离、长宽比。CIoU就是在DIoU的基础上增加了检测框尺度的loss，增加了长和宽的loss，这样预测框就会更加的符合真实框。
  • Distribution Focal Loss (DFL)：使用向量表达边界与基准点的距离，然后结合softmax交叉熵计算得DFL项的loss
    将边界距离基准点的距离记为y，则可将基准点转换为(tl, tr)，两者对应的权重为(wl, wr)。y.shape = tl.shape = tr.shape= [batch, n, 4]。
    tl.view(-1).shape = tr.view(-1).shape = [batc*n*4]（假设左边界距离y=5.6，则 t l = 5 tl=5tl=5，t r = 6 tr=6tr=6，t l = 0.4 tl=0.4tl=0.4，w r = 0.6 wr=0.6wr=0.6）
    此时网络输出的边界为pred_dist，pred_dist.shape=[batc*n*4,16]。则损失函数如下，：

    loss =  (F.cross_entropy(pred_dist, tl.view(-1), reduction='none').view(tl.shape) * wl +
    			  F.cross_entropy(pred_dist, tr.view(-1), reduction='none').view(tl.shape) * wr).mean(-1, keepdim=True)
    

4 yolov8 实例分割

4.1 网络结构

从工程实现中可以看到，分割的网络结构与目标检测的网络结构，主干网络、neck模块都是完全一致的，只有在任务侧 有所差异。


 
分割的head(coef) 与目标检测的head是基本一致的，仅最后一层的输出维度有所差异。

 
阅读源码并绘制网络结构图如上，可发现 在目标检测的head模块基础上，额外添加了segment的分支：掩码系数分支、原型分支。接下来会介绍该分割分支的具体使用。

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3.2 分割的head输出

该部分内容借鉴了论文 YOLACT Real-time Instance Segmentation。

• 【Proto的输出】
  网络会在第一个输出层中，输出一组mask原型，其数量工程中设置为32。不同mask为网络学习到不同的掩码信息，值得注意的是单张mask并不意味着mask中只有一个目标的mask。将mask可视化如下图，第一张mask仅人体，第二张为人体+羽毛球拍，第三张为另一张人体mask，第四张为球拍。
  
  需将所有的mask线性叠加然后得到当前目标的最终掩码信息。下图当中示意了默认系数为1的线性叠加，但实际该掩码系数不可能同时为1。则安排了神经网络预测该系数，也就是mask_coef分支。
  
• 【mask_coef】
  网络每个gridceil都有3个输出信息：cls + box + mask_coef。对前两者进行解析可得到，有效的gridceil预测出了目标的类别 和 目标的box，此时可以很容易获取该gridceil中的目标的mask_coef，维度为32，刚好与Proto输出的channel维度32相一致。
• 【gridceil中目标的mask的计算】
  1 通过mask_coef 和 Proto的线性叠加求出mask，其中 n 为 第n个检出结果：m a s k n = ∑ i = 0 32 m a s k _ c o e f i ∗ P r o t o i mask_n = \sum_{i=0}^{32}mask\_coef_{i}*Proto_{i}maskn​=i=0∑32​mask_coefi​∗Protoi​2 仅保留该gridceil检测出的box内的mask，然后再对mask框内的mask的每个像素进行阈值过滤（工程中阈值设为0.5），即得到该目标的最终的mask。
  

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3.3 mask的损失函数

网络的输出经过 3.2 章节的处理后，得到解析后的mask信息

• 训练时，mask与标签进行计算损失函数。也就是并不会对 Proto 和 mask_coef 直接进行监督；仅对每个box内有效的处理后的mask做损失函数的计算。
• 预测时，mask通过阈值处理为2值图，像素=0为背景，像素=1为目标。不包含类别信息，类别信息由head_cls分支的输出提供。
   

训练时候的损失函数为

   def single_mask_loss(self, gt_mask, pred, proto, xyxy, area):
       """Mask loss for one image."""
       ## gt_mask: mask的标签
       ## pred： 预测的mask_coef
       ## proto：预测的32个原型mask
       ## xyxy：目标检测框标签，用于选中有效区域的mask
       ## area：目标检测框标签的面积，计算了box内的mask损失，要除以面积以为了平衡大小目标对最终损失的影响。
       pred_mask = (pred @ proto.view(self.nm, -1)).view(-1, *proto.shape[1:])  # (n, 32) @ (32,80,80) -> (n,80,80)
       loss = F.binary_cross_entropy_with_logits(pred_mask, gt_mask, reduction='none')
       return (crop_mask(loss, xyxy).mean(dim=(1, 2)) / area).mean()

5 关节点估计

有待补充完善。。。