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Deep Object Detection » 深度目标检测（五）——YOLOv3

2018-12-01 :: 5866 Words

YOLOv2（续）

High Resolution Classifier

所有state-of-the-art的检测方法基本上都会使用ImageNet预训练过的模型（classifier）来提取特征，例如AlexNet输入图片会被resize到不足256x256，这导致分辨率不够高，给检测带来困难。所以YOLO(v1)先以分辨率224x224训练分类网络，然后需要增加分辨率到448x448，这样做不仅将网络切换为检测网络，也改变了分辨率。所以作者想能不能在预训练的时候就把分辨率提高了，训练的时候只是由分类网络切换为检测网络。

YOLOv2首先修改预训练分类网络的分辨率为448x448，在ImageNet数据集上训练10轮（10 epochs）。这个过程让网络有足够的时间调整filter去适应高分辨率的输入。然后fine tune为检测网络。mAP获得了4%的提升。

Convolutional With Anchor Boxes

借鉴SSD的经验，使用Anchor方法替代全连接+reshape。

相应的，YOLOv2对于输出向量的编码方式进行了改进，如下图所示：

其主要思路是：将对类别的预测放到anchor box中。

同时，由于分辨率的提高，cell的数量由7x7改为13x13。这样一来就有13x13x9=1521个boxes了。（假设每个cell的Anchor Boxes的数量为9。）因此，YOLOv2比YOLO在检测小物体方面有一定的优势。

Dimension Clusters

使用anchor时，作者发现Faster-RCNN中anchor boxes的个数和宽高维度往往是手动精选的先验框（hand-picked priors)，设想能否一开始就选择了更好的、更有代表性的先验boxes维度，那么网络就应该更容易学到准确的预测位置。

解决办法就是统计学习中的K-means聚类方法，通过对数据集中的ground true box做聚类，找到ground true box的统计规律。以聚类个数k为anchor boxs个数，以k个聚类中心box的宽高维度为anchor box的维度。

作者做了对比实验，5种boxes的Avg IOU(61.0)就和Faster R-CNN的9种Avg IOU(60.9)相当。说明K-means方法的生成的boxes更具有代表性，使得检测任务更好学习。

Direct location prediction

使用anchor boxes的另一个问题是模型不稳定，尤其是在早期迭代的时候。大部分的不稳定现象出现在预测box的(x,y)坐标时。

究其原因在于，虽然RPN会预测坐标的修正值\((\Delta x, \Delta y)\)，然而却未对\(\Delta x, \Delta y\)的取值范围做限定。因此，可能会出现anchor检测很远的目标box的情况，效率比较低。

正确做法应该是每一个anchor只负责检测周围正负一个单位以内的目标box。

Fine-Grained Features

修改后的网络最终在13x13的特征图上进行预测，虽然这足以胜任大尺度物体的检测，但如果用上细粒度特征的话可能对小尺度的物体检测有帮助。

Faser R-CNN和SSD都在不同层次的特征图上产生区域建议以获得多尺度的适应性。

YOLOv2使用了一种不同的方法，简单添加一个passthrough layer，把浅层特征图（分辨率为26x26）连接到深层特征图。

具体操作如下：

1.叠加相邻空间位置的特征到不同通道，将26x26x512的特征图叠加成13x13x2048的特征图。

2.将浅层特征图（13x13x2048）和深层特征图（13x13x1024）合并为一个（13x13x3072）tensor。

从实际的实现来看，这里passthrough layer，实际上就是tf.space_to_depth运算。

上图中每个cell的Anchor Boxes为5。

Multi-Scale Training

为了让YOLOv2对不同尺寸图片具有鲁棒性，在训练的时候就要考虑这一点。

每经过10批训练（10 batches）就会随机选择新的图片尺寸。网络使用的降采样参数为32，于是使用32的倍数{320,352，…，608}，最小的尺寸为320x320，最大的尺寸为608x608。调整网络到相应维度然后继续进行训练。

一般来说，神经网络各层的tensor尺寸在训练过程中是不能随意修改的，因为修改之后参数的个数会发生变化，那就不是同一个model了。然而，有些操作是例外的。比如pooling，这个操作只有规则没有参数，因此可以很方便适应不同的tensor尺寸。再比如卷积，不同尺寸的图片，实际上也可以用相同大小的kernel进行卷积操作，只要kernel的参数可以在训练过程中共享，这个训练过程就是合理的。而YOLOv2正好只有卷积和pooling两种操作。

Faster

Darknet-19

YOLOv2使用了一个新的分类网络作为特征提取部分，参考了前人的先进经验，比如类似于VGG，作者使用了较多的3x3卷积核，在每一次池化操作后把通道数翻倍。

借鉴了network in network的思想，网络使用了全局平均池化（global average pooling），把1x1的卷积核置于3x3的卷积核之间，用来压缩特征。也用了batch normalization（前面介绍过）稳定模型训练。

最终得出的基础模型就是Darknet-19，其包含19个卷积层、5个最大值池化层（maxpooling layers ）。如下图：

Darknet-19的运算量为55.8亿次浮点数运算。VGG-16为306.9亿次，而YOLO为85.2亿次。

Stronger

联合训练

作者提出了一种在分类数据集和检测数据集上联合训练的机制：

1.使用检测数据集的图片去学习检测相关的信息，例如bounding box坐标预测，是否包含物体以及属于各个物体的概率。

2.使用仅有类别标签的分类数据集图片去扩展可以检测的种类。

这种方法有一些难点需要解决。检测数据集只有常见物体和抽象标签（不具体），例如 “狗”，“船”。分类数据集拥有广而深的标签范围（例如ImageNet就有一百多类狗的品种，包括 “Norfolk terrier”, “Yorkshire terrier”, and “Bedlington terrier”等. ）。必须按照某种一致的方式来整合两类标签。

大多数分类的方法采用softmax层，考虑所有可能的种类计算最终的概率分布。但是softmax假设类别之间互不包含，但是整合之后的数据是类别是有包含关系的，例如 “Norfolk terrier” 和 “dog”。所以整合数据集没法使用这种方式（softmax 模型），

作者最后采用一种不要求互不包含的多标签模型（multi-label model）来整合数据集。

Hierarchical classification（层次式分类）

ImageNet的标签参考WordNet（一种结构化概念及概念之间关系的语言数据库）。例如：

很多分类数据集采用扁平化的标签。而整合数据集则需要结构化标签。

WordNet是一个有向图结构（而非树结构），因为语言是复杂的（例如“dog”既是“canine”又是“domestic animal”），为了简化问题，作者从ImageNet的概念中构建了一个层次树结构（hierarchical tree）来代替图结构方案。这也就是作者论文中提到的WordTree。

WordTree的细节，更偏NLP一些，这里不再赘述。

参考

https://zhuanlan.zhihu.com/p/25167153

YOLO2

http://blog.csdn.net/jesse_mx/article/details/53925356

YOLOv2论文笔记

http://lanbing510.info/2017/09/04/YOLOV2.html

目标检测之YOLOv2

https://mp.weixin.qq.com/s/r2mfq0UkljKce8_dYrCNEw

YOLOv2原理与实现

https://zhuanlan.zhihu.com/p/47575929

YOLOv2/YOLO9000深入理解

YOLOv3

2018年4月，pjreddie提出了YOLOv3。

论文：

《YOLOv3: An Incremental Improvement》

代码：

https://github.com/YunYang1994/tensorflow-yolov3

TF版本

它的改进点在于：

  • 骨干网络再次升级。

上图是YOLOv3的网络结构图。由于这个网络共有53层Conv，因此也被作者称作Darknet-53。

从结构来看，它明显借鉴了ResNet的残差结构。而3x3、1x1卷积核的使用，则显然是SqueezeNet的思路。

Yolov3的三个基本组件：

  • CBL：Yolov3网络结构中的最小组件，由Conv+Bn+Leaky_relu激活函数三者组成。
  • Res unit：借鉴Resnet网络中的残差结构，让网络可以构建的更深。

  • ResX：由一个CBL和X个残差组件构成，是Yolov3中的大组件。每个Res模块前面的CBL都起到下采样的作用，因此经过5次Res模块后，得到的特征图是608->304->152->76->38->19大小。

  • 多尺度先验框。

YOLOv2从两个不同尺度的conv层输出中提取bbox，而YOLOv3从3个不同尺度的conv层输出中提取bbox。多尺度特征提取在U-NET、DenseNet中，早就广泛使用了，用到这里也很自然。

上图是YOLOv3网络输出的tensor的格式。

  • 对象分类softmax改成logistic。

预测对象类别时不使用softmax，改成使用logistic的输出进行预测。这样能够支持多标签对象（比如一个人有Woman和Person两个标签）。

实际上，就是把loss由tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits换成tf.nn.sigmoid_cross_entropy_with_logits。它的特点是每个类别给出一个二分类（是/否）的置信度，如果某个对象是多标签的话，则它可能有多个类别的置信度接近1。

参考：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/34945787

YOLOv3：An Incremental Improvement全文翻译

https://mp.weixin.qq.com/s/UWuCiV6dBk9Z0XusEBS6-g

物体检测经典模型YOLO新升级，就看一眼，速度提升3倍！

https://mp.weixin.qq.com/s/BF7mj-_D303cLiD5e6oy6w

期待已久的—YOLO V3

https://mp.weixin.qq.com/s/-Ixqxx6QGJDTM4g50y6LyA

进击的YOLOv3，目标检测网络的巅峰之作

https://zhuanlan.zhihu.com/p/46691043

YOLO v1深入理解

https://zhuanlan.zhihu.com/p/47575929

YOLOv2 / YOLO9000深入理解

https://zhuanlan.zhihu.com/p/49556105

YOLO v3深入理解

https://mp.weixin.qq.com/s/0lyDv9b-mpvSFYXqyngT-w

实用教程！使用YOLOv3训练自己数据的目标检测

https://mp.weixin.qq.com/s/PkFtZ0Iqf7PBGyE5a_IJ4Q

YOLO v3的TensorFlow实现，GitHub完整源码解析

https://mp.weixin.qq.com/s/Vuuca3A7luCyCQ-jBKMIcw

YOLO v3目标检测的PyTorch实现，GitHub完整源码解析！

https://mp.weixin.qq.com/s/2aeBBjCbWdweYmNrTaWqqw

一文看尽目标检测：从YOLO v1到v3的进化之路

https://mp.weixin.qq.com/s/fDOskKqG-fsJmhT0-tdtTg

SlimYOLOv3：更窄、更快、更好的无人机目标检测算法

https://zhuanlan.zhihu.com/p/50595699

揭秘YOLOv3鲜为人知的关键细节

https://mp.weixin.qq.com/s/EElv2Tc73JKS8jpejEGB1w

YOLO v3实战之钢筋数量AI识别（一）

https://mp.weixin.qq.com/s/HEBO9uZMD2CZW_Y-8eBK1A

YOLOv1/v2/v3简述

https://mp.weixin.qq.com/s/5IfT9cWVbZq4cwHPLes5vA

你对YOLOV3损失函数真的理解正确了吗？

https://mp.weixin.qq.com/s/biPLPaunfkQtpywaHbBfLg

YOLOV3损失函数再思考

https://mp.weixin.qq.com/s/Cws-3Cni-_v3AED918eB4A

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