目标检测之YOLOv3

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mob604756eb17db 2021-08-01 17:06:00

　　YOLOv3没有太多的创新，主要是借鉴一些好的方案融合到YOLO里面。不过效果还是不错的，在保持速度优势的前提下，提升了预测精度，尤其是加强了对小物体的识别能力。本文主要讲v3的改进，由于是以v1和v2为基础，关于YOLOv1和YOLOv2的分析请移步YOLOv1 深入理解和YOLOv2/YOLO 9000深入理解。

　　YOLOv3的改进有：调整了网络结构；利用多尺度特征进行对象检测；对象分类用Logistic取代了softmax。

一，YOLOv3算法

目标检测之YOLOv3_数据集

YOLOv3 处理流程

　　首先如上图所示，在训练过程中对于每幅输入图像，YOLOv3会预测三个不同大小的3D tensor，对应着三个不同的scale。设计这三个scale的目的就是为了能够检测出不同大小的物体。在这里我们以13*13的tensor为例做一个简单讲解。对于这个scale，原始输入图像会被分割成13*13的grid cell，每个grid cell对应着3D tensor中的1*1*255这样一个长条形voxel。255这个数字来源于(3*(4+1+80))，其中的数字代表bounding box的坐标，物体识别度(objectness score)，以及相对应的每个class的confidence，具体释义见上图。

　　其次，如果训练集中某一个ground truth对应的bounding box中心恰好落在了输入图像的某一个grid cell中（如图中的红色grid cell），那么这个grid cell就负责预测此物体的bounding box，于时这个grid cell所对应的objectness score就被赋予1，其余的grid cell 则为0。此外，每个grid cell还被赋予3个不同大小的prior box。在学习过程中，这个grid cell会逐渐学会如何选择哪个大小的prior box，以及对这个prior 波形进行微调（即offset/coordinate）。但是grid cell是如何知道该选取哪个prior box呢？在这里作者定义了一个规则，即只选取与ground truth bounding box的IOU重合度最高的那个prior box。

　　上面说了有三个预设的不同大小的prior box，但是这三个大小是怎么计算得来的呢？作者首先在训练前，提前将COCO数据集中的所有bbox使用K-means clustering分成9个类别，每3个类别对应一个scale，这样总共3个scale。这种关于box大小的先验信息极大地帮助网络准确的预测每个box的offset/coordinate，因为从直观上，大小合适的box将会使网络更快速精准地学习。

　　YOLOv2已经开始采用K-means据类得到先验框的尺寸，YOLOv3延续了这种方法，为每种下采样尺度设定3种先验框，总共聚类出9种尺寸的先验框。在COCO数据集这9个先验框是：(10x13)，(16x30)，(33x23)，(30x61)，(62x45)，(59x119)，(116x90)，(156x198)，(373x326)。分配上，在最小的13*13特征图上（有最大的感受野）应用较大的先验框(116x90)，(156x198)，(373x326)，适合检测较大的对象。中等的26*26特征图上（中等感受野）应用中等的先验框(30x61)，(62x45)，(59x119)，适合检测中等大小的对象。较大的52*52特征图上（较小的感受野）应用较小的先验框(10x13)，(16x30)，(33x23)，适合检测较小的对象。YOLOv3使用logistic regression为每个bounding box预测一个objectness score(用来表示该bounding box包含一个object的可能性)。在训练时，如果该bounding box对应的prior(即anchor box)与一个ground truth box的IOU高于其它任何bounding box prior，那么该bounding box的objectness score就被置为1；如果该bounding box对应的prior不是最好的但是又确实与一个ground truth box的IOU高于设定的阈值，那么该bounding box会被忽略。论文中作者使用的阈值是0.5。另外，YOLOv3在训练时为每个ground truth object只分配一个bounding box prior（相当于一个bounding box，因为每个cell有k个bounding box prior，每个bounding box prior对应一个bounding box）。如果一个bounding box没有分配到ground truth object，那么在计算定位损失和分类损失时它不会被考虑在内，也就是说只有包含ground truth object的bounding box才会参与训练损失的计算。

1.1，网络模型结构

　　下图是YOLOv3的网络模型结构图，此结构主要由75个卷积层构成，卷积层对于分析物体特征最为有效。由于没有使用全连接层，该网络可以对应任意大小的输入图像。此外，池化层也没有出现在YOLOv3当中，取而代之的是将卷积层的stride设为2来达到下采样的效果，同时将尺度不变特征传送到下一层。除此之外，YOLOv3中还使用了类似ResNet和FPN网络的结构，这两个结构对于提高检测精度也是大有裨益。

目标检测之YOLOv3_数据集_02

1.2 3 Scales：更好的对应不同大小的目标物体

　　通常一幅图像包含各种不同的物体，并且有大有小。比较理想的是一次就可以将所有大小的物体同时检测出来。因此，网络必须具备能够“看到”不同大小的物体的能力。并且网络越深，特征图就会越小，所以越往后的物体也就越难检测出来。SSD中的做法是，在不同深度的feature map获得后，直接进行目标检测，这样小的物体会在相对较大的feature map中被检测出来，而大的物体会在相对较小的feature map中被检测出来，从而达到对应不同scale的物体的目的。

　　然而在实际的feature map中，深度不同所对应的feature map包含的信息就不是绝对相同的。举例说明，随着网络深度的加深，浅层的feature map中主要包含低级的信息（物体边缘，颜色，初级位置信息等），深层的feature map中包含高等信息（例如物体的语义信息：狗，猫，汽车等等）。因此在不同级别的feature map中进行检测，听起来好像可以对应不同的scale，但是实际上精度并没有期待的那么高。

　　在YOLOv3中，这一点是通过采用FPN结构来提高对应多重scale的精度的。

目标检测之YOLOv3_网络模型_03

多重scale主流方法

　　如图所示，对于多重scale，目前主要有以下几种主流方法。

　　(a) 这种方法最直观。首先对一幅图像建立图像金字塔，不同级别的金字塔图像被输入到对应的网络当中，用于不同scale物体的检测。但这样做的结果就是每个级别的金字塔都需要进行一次处理，速度很慢。

　 (b) 检测直再最后一个feature map阶段进行，这个结构无法检测不同大小的物体。

　　(d) 与(c)很接近，但有一点不同的是，当前层的feature map会对未来层的feature map进行上采样，并加以利用。这是一个有跨越性的设计。因为有了这样一个结构，当前的feature map就可以获得“未来”层的信息，这样的话低阶特征与高阶特征就有机融合起来了，提升检测精度。

1.3 ResNet残差结构：更好的获取物体特征

　　YOLOv3中使用了ResNet结构（对应着在上面的YOLOv3结构图中的Residual Block）。Residual Block是有一系列卷积层和一条shortcut path组成。shortcut如下图所示：

目标检测之YOLOv3_网络模型_04

　　图中曲线箭头代表的便是shortcut path。除此之外，此结构与普通的CNN结构并无区别。随着网络越深，学习特征的难度也就越来越大。但是如果我们加一条shortcut path的话，学习过程就从直接学习特征，变成在之前学习的特征的基础上添加某些特征，来获得更好的特征。这样一来，一个复杂的特征H(x)，之前是独立一层一层学习的，现在就变成了这样一个模型H(x)=F(x)+x，其中x是shortcut开始时的特征，而F(x)就是对x进行的填补与增加，成为残差。因此学习的目标就从学习完整的信息，变成学习残差了。这样以来学习优质特征的难度就大大减小了。