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YOLO系列：从yolov1至yolov8的进阶之路持续更新中

news 来源：原创 2024/9/19 8:59:00

一、基本概念

1.YOLO简介

YOLO（You Only Look Once）：是一种基于深度神经网络的对象识别和定位算法，其最大的特点是运行速度很快，可以用于实时系统。

2.目标检测算法

RCNN：该系列算法实现主要为两个步骤：先从图片中搜索出一些可能存在对象的候选区（Selective Search），大概2000个左右；然后对每个候选区进行对象识别。检测精度较高，但速度慢。
YOLO：将筛选候选区域与目标检测合二为一，大大加快目标检测速度，但准确度相对较低。

3.评价目标

3.1.IOU

IOU（Intersection over Union）：交并比，候选框（candidate bound，紫色框）与原标记框（ground truth bound，红色框）的交叠率，IOU值越高，说明算法对目标的预测精度越高。

Area of overlap：原标记框与候选框的交集面积
Area of union：原标记框与候选框的并集面积

3.2.置信度

3.3.二分类指标

在「二分类」任务中，对样本的描述：

Position：正例，二分类中的一类样本，一般是想要的
Negative：负例，二分类中另一类样本，一般是不想要的
TP（True Position）：在拿出样本中，正确识别为正例
FP（False Position） ：在拿出样本中，错误识别为正例，即本身是负例（误判）
TN（True Negative） ：未拿出样本中，正确当负例舍弃
FP（False Negative） ：未拿出样本中，错误当负例舍弃，即本身是正例（遗漏）

二分类结果的评判指标：

3.4.AP

由于 Precision 与 Recall 只适用于「二分类问题」。当存在多样本分类时，对每一类样本单独考虑其「二分类问题」，即目标样本与其他样本的分类问题。

当确认的样本越少，出错的风险也就越小；当选择出的样本量越大，得到全部目标样本的可能性越大。因此 Precision 与 Recall 是一度矛盾的关系

Precision 较大时，Recall 较小：当要分辨 10 个苹果时，我只拿出一个苹果，那么 Precision 就是 100 %，而 Recall 确是 10 %
Precision 较大时，Recall 较小：若选择出 100 个水果，10 个苹果我们都拿出来了，但是还有 90 个其他水果。Precision 就是 10 %，而 Recall 是 100 %

假设模型的任务为从图片中，检测出三类物体：(1,2,3)。「一张图片」的模型预测结果如下所示

现在对每一类别分别绘制 Precision-Recall曲线：

每个预测的 box 与其分类对应的所有 Ground True box 进行 IOU 计算，并选择出最大的 IOU 作为输出结果。 认为当前预测 box 就是 IOU 最大的这个 Ground True box 的预测结果。（若多个预测box 与同一个 Ground True box 相对应，则只记录一个）

将 max_iou 与给定阈值 thresh = 0.5 进行比较，大于阈值就标记 1

数据根据「分类置信度 class_conf」进行排序

取出分类 1

假设在当前图片中，存在 3 个 1 类目标，计算其 Precision 与 Recall。

根据上面的结果，假设只找出 1 个 1 类目标时：

假设只找出 2 个 1 类目标时

假设只找出 3 个 1 类目标时

以此类推，找出全部时

根据上述 Precision 与 Recall 序列绘制出的曲线，就是 1 类别目标对应的Precision-Recall曲线，重复上述步骤，就是绘制出 2, 3 类别的曲线。根据Precision-Recall曲线就能计算 AP 值了。

AP（Average Precision）：Precision-Recall曲线下方的面积。结合 Precision 与 Recall ，更加全面的对模型的好坏进行评价。

绘制完整的 Precision-Recall曲线：将 Precision 与 Recall 绘制成曲线。

查找 precision 突然变大的点

利用这个突变点来代表这个区间内的 Precision

最后计算彩色矩形区域的面积，该值就是 AP

二、YOLO V1

1.网络模型

对于第一版 YOLO 的网络模型就两个部分：卷积层、全连接层。

输入： 尺寸为 448x448x3 的图片，图片尺寸定死
输出： 图片中被检测目标的位置（矩形框坐标）与被检测物体的分类。

2.目标检测原理

将输入图片通过 7x7 网格，划分为 49 个单元格
每个单元格负责一个检测目标：存储检测目标外接矩形的「中心点坐标」、长宽；存储检测目标的类型。即当检测目标的外接矩形「中心点坐标」位于该单元格内时，就让该单元格全权负责储存这个检测目标的信息。
每个单元格持有2个候选矩形框，会通过置信度选择一个最好的当作预测结果输出

3.模型输出

V1 版本的输出结果为 7x7x30 的一个向量，对该向量进行维度转换得到

其中 7x7 表示利用 7x7 的网格，将输入图片划分为 49 个单元格；30 表示对每个单元格预测结果的描述：两个目标位置候补框、置信度、目标的分类

bounding box 1 ：第一个候补框的参数，外接矩形中心坐标 (x1,y1)(x1,y1) ；长宽 (w1,h1)(w1,h1)
confidence 1 ：第一个候补框是待检测目标的置信度
bounding box 2 ：第二个候补框的参数，外接矩形中心坐标 (x1,y1)(x1,y1) ；长宽 (w1,h1)(w1,h1)
confidence 2 ：第二个候补框是待检测目标的置信度
分类：检测目标为 20 个分类的概率

其中，对于中心坐标 (x,y)(x,y) 、长宽 (w,h)(w,h) 值的存储是一个百分比。

中心坐标 (x,y)(x,y) ：相对单元格长宽的比值
长宽 (w,h)(w,h)：相对于输入图片长宽的比值

4.损失函数

4.1.定义

4.2.位置预测

当预测外接框与目标外接框的宽度、高度的差值一样时，对于较大的物体而言相对误差小，而对于较小物体而言相对误差较大。因此为了让损失函数对小物体的外接矩形的宽度、高度更敏感一些，在 YOLO V1 中采用了 「根号」: 自变量在[0,1]取值时，根号的斜率变化比直线要大。

5.模型预测

5.1.思路

训练好的 YOLO 网络，输入一张图片，将输出一个 7x7x30 的张量（tensor）来表示图片中所有网格包含的对象（概率）以及该对象可能的2个位置（bounding box）和可信程度（置信度）。每个单元格有两个 bounding box ，一共有 7x7 个单元格，现在将所有的 7x7x2=98 个 bounding box 绘制出来

可以看见图上到处都是 bounding box，现在就需要从这些 bounding box 中，筛选出能正确表示目标的 bounding box。

为了实现该目的， YOLO 采用 NMS（Non-maximal suppression，非极大值抑制）算法

三、YOLO V2

1.模型改进

1.1.卷积化

在 V1 中，最后的输出结果是靠「全连接层」得到的，这也就限制了输入图片的尺寸。因此在 V2 将所有的全连接层转为了卷积层，构造了新的网络结果 DarkNet19，其中还利用 1x1 卷积对模型进行优化。

1.2.Batch Nomalization

在 DarkNet19 网络中，对于卷积层加入了 Batch Normalization ，并删除了 dropout 。

由于 DarkNet19 做了 5 次池化且卷积均进行了padding，所以输入图片将会被缩放 25=3225=32 倍，即 448x448 的输入，输出结果应当是 448/32=14，但是14x14的结果没有特定的中心点，为了制造一个中心点，模型的输入图片尺寸就更改为了416x416，输出结果就变为了13x13。

1.3.Fine-Grained Features

在 DarkNet19 模型中，存在一个 PassThrough Layer 的操作，该操作就是将之前阶段的卷积层结果与模型输出结果进行相加。根据感受野可知，越靠前的网络层对细节的把握越好，越靠后的网络更注重于目标整体，为了使得输出结果对小物体有更好的把握，就可以利用 PassThrough Layer 来提升结果特征图对小物体的敏感度。

1.4.图片输入

由于历史原因，ImageNet分类模型基本采用大小为 224x224 的图片作为输入，所以 YOLO V1 模型训练使用的输入图片大小其实为 224x224，在模型预测时，又使用的是 448x448 的图片作为输入，这样就导致模型的训练和模型的预测，输入其实是有差异的。为了弥补这个差异，模型训练的最后几个 epoch 采用 448x448 的图片进行训练。

2.Anchor Box

YOLO V1 的 bounding box 缺陷：

一个单元格只能负责一个目标检测的结果，如果该单元格是多个目标的中心点区域时，V1 版本将不能识别。
V1 中，对于 bounding box 的预测结果并未加限制，这就会导致 bounding box 的中心点可能会跑到其他单元格内
bounging box 的宽度与高度是靠模型自己学习的，这就可能走很多弯路。

2.1.Anchor

模型训练开始前，人为为每个单元格预定义几个不同大小的 Anchor Box，这样从训练开始，每个单元格的bounding box就有了各自预先的检测目标，例如瘦长的 bounging box 就适合找人，矮胖的 bounging box 就适合找车等。
模型训练就是调整这些预定义的bounding box 的中心点位置与长宽比列。