成團演算法

Ⅰ 【目標檢測演算法解讀】yolo系列演算法二

https://blog.csdn.net/Gentleman_Qin/article/details/84349144

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    建立在YOLOv1的基礎上，經過Joseph Redmon等的改進，YOLOv2和YOLO9000演算法在2017年CVPR上被提出，並獲得最佳論文提名，重點解決YOLOv1召回率和定位精度方面的誤差。在提出時，YOLOv2在多種監測數據集中都要快過其他檢測系統，並可以在速度與精確度上進行權衡。

    YOLOv2採用Darknet-19作為特徵提取網路，增加了批量標准化（Batch Normalization）的預處理，並使用224×224和448×448兩階段訓練ImageNet，得到預訓練模型後fine-tuning。

    相比於YOLOv1是利用FC層直接預測Bounding Box的坐標，YOLOv2借鑒了FSR-CNN的思想，引入Anchor機制，利用K-Means聚類的方式在訓練集中聚類計算出更好的Anchor模板，在卷積層使用Anchor Boxes操作，增加Region Proposal的預測，同時採用較強約束的定位方法，大大提高演算法召回率。同時結合圖像細粒度特徵，將淺層特徵與深層特徵相連，有助於對小尺寸目標的檢測。 

    下圖所示是YOLOv2採取的各項改進帶了的檢測性能上的提升：

    YOLO9000 的主要檢測網路也是YOLO v2，同時使用WordTree來混合來自不同的資源的訓練數據，並使用聯合優化技術同時在ImageNet和COCO數據集上進行訓練，目的是利用數量較大的分類數據集來幫助訓練檢測模型，因此，YOLO 9000的網路結構允許實時地檢測超過9000種物體分類，進一步縮小了檢測數據集與分類數據集之間的大小代溝。

    下面將具體分析YOLOv2的各個創新點:

BN概述：

    對數據進行預處理（統一格式、均衡化、去噪等）能夠大大提高訓練速度，提升訓練效果。BN正是基於這個假設的實踐，對每一層輸入的數據進行加工。

    BN是2015年Google研究員在論文《Batch Normalization: Accelerating Deep Network Training by Recing Internal Covariate Shift》一文中提出的，同時也將BN應用到了2014年的GoogLeNet上，也就是Inception-v2。

    BN層簡單講就是對網路的每一層的輸入都做了歸一化，這樣網路就不需要每層都去學數據的分布，收斂會更快。YOLOv1演算法（採用的是GoogleNet網路提取特徵）是沒有BN層的，而在YOLOv2中作者為每個卷積層都添加了BN層。

    使用BN對網路進行優化，讓網路提高了收斂性，同時還消除了對其他形式的正則化（regularization）的依賴，因此使用BN後可以從模型中去掉Dropout，而不會產生過擬合。

BN優點：

神經網路每層輸入的分布總是發生變化，加入BN，通過標准化上層輸出，均衡輸入數據分布，加快訓練速度，因此可以設置較大的學習率（Learning Rate）和衰減（Decay）；

通過標准化輸入，降低激活函數（Activation Function）在特定輸入區間達到飽和狀態的概率，避免梯度彌散（Gradient Vanishing）問題；

輸入標准化對應樣本正則化，BN在一定程度上可以替代 Dropout解決過擬合問題。

BN演算法：

    在卷積或池化之後，激活函數之前，對每個數據輸出進行標准化，方式如下圖所示：

    公式很簡單，前三行是 Batch內數據歸一化（假設一個Batch中有每個數據），同一Batch內數據近似代表了整體訓練數據。第四行引入了附加參數 γ 和 β，此二者的取值演算法可以參考BN論文，在此不再贅述。

    fine-tuning：用已經訓練好的模型，加上自己的數據集，來訓練新的模型。即使用別人的模型的前幾層，來提取淺層特徵，而非完全重新訓練模型，從而提高效率。一般新訓練模型准確率都會從很低的值開始慢慢上升，但是fine-tuning能夠讓我們在比較少的迭代次數之後得到一個比較好的效果。

    YOLO模型分為兩部分，分類模型和檢測模型，前者使用在ImageNet上預訓練好的模型，後者在檢測數據集上fine-tuning。

    YOLOv1在預訓練時採用的是224*224的輸入（在ImageNet數據集上進行），然後在檢測的時候採用448*448的輸入，這會導致從分類模型切換到檢測模型的時候，模型還要適應圖像解析度的改變。

    YOLOv2則將預訓練分成兩步：先用224*224的輸入在ImageNet數據集訓練分類網路，大概160個epoch（將所有訓練數據循環跑160次）後將輸入調整到448*448，再訓練10個epoch（這兩步都是在ImageNet數據集上操作）。然後利用預訓練得到的模型在檢測數據集上fine-tuning。這樣訓練得到的模型，在檢測時用448*448的圖像作為輸入可以順利檢測。

    YOLOv1將輸入圖像分成7*7的網格，每個網格預測2個Bounding Box，因此一共有98個Box，同時YOLOv1包含有全連接層，從而能直接預測Bounding Boxes的坐標值，但也導致丟失較多的空間信息，定位不準。

    YOLOv2首先將YOLOv1網路的FC層和最後一個Pooling層去掉，使得最後的卷積層可以有更高解析度的特徵，然後縮減網路，用416*416大小的輸入代替原來的448*448，使得網路輸出的特徵圖有奇數大小的寬和高，進而使得每個特徵圖在劃分單元格（Cell）的時候只有一個中心單元格（Center Cell）。

    為什麼希望只有一個中心單元格呢？由於圖片中的物體都傾向於出現在圖片的中心位置，特別是比較大的物體，所以有一個單元格單獨位於物體中心的位置用於預測這些物體。

    YOLOv2通過引入Anchor Boxes，通過預測Anchor Box的偏移值與置信度，而不是直接預測坐標值。YOLOv2的卷積層採用32這個值來下采樣圖片，所以通過選擇416*416用作輸入尺寸最終能輸出一個13*13的特徵圖。若採用FSRCNN中的方式，每個Cell可預測出9個Anchor Box，共13*13*9=1521個（YOLOv2確定Anchor Boxes的方法見是維度聚類，每個Cell選擇5個Anchor Box）。

    在FSRCNN中，以一個51*39大小的特徵圖為例，其可以看做一個尺度為51*39的圖像，對於該圖像的每一個位置，考慮9個可能的候選窗口：3種面積3種比例。這些候選窗口稱為Anchor Boxes。下圖示出的是51*39個Anchor Box中心，以及9種Anchor Box示例。

YOLOv1和YOLOv2特徵圖數據結構：

YOLOv1：S*S* (B*5 + C) => 7*7（2*5+20）

    其中B對應Box數量，5對應邊界框的定位信息（w,y,w,h）和邊界框置信度（Confidience）。解析度是7*7，每個Cell預測2個Box，這2個Box共用1套條件類別概率（1*20）。

YOLOv2：S*S*K* (5 + C) => 13*13*9（5+20）

    解析度提升至13*13，對小目標適應性更好，借鑒了FSRCNN的思想，每個Cell對應K個Anchor box（YOLOv2中K=5），每個Anchor box對應1組條件類別概率（1*20）。

    聚類：聚類是指事先沒有「標簽」而通過某種成團分析找出事物之間存在聚集性原因的過程。即在沒有劃分類別的情況下，根據數據相似度進行樣本分組。

    在FSR-CNN中Anchor Box的大小和比例是按經驗設定的，然後網路會在訓練過程中調整Anchor Box的尺寸，最終得到准確的Anchor Boxes。若一開始就選擇了更好的、更有代表性的先驗Anchor Boxes，那麼網路就更容易學到准確的預測位置。

    YOLOv2使用K-means聚類方法類訓練Bounding Boxes，可以自動找到更好的寬高維度的值用於一開始的初始化。傳統的K-means聚類方法使用的是歐氏距離函數，意味著較大的Anchor Boxes會比較小的Anchor Boxes產生更多的錯誤，聚類結果可能會偏離。由於聚類目的是確定更精準的初始Anchor Box參數，即提高IOU值，這應與Box大小無關，因此YOLOv2採用IOU值為評判標准，即K-means 採用的距離函數（度量標准） 為：

d(box,centroid) = 1 - IOU(box,centroid)

    如下圖，左邊是聚類的簇個數和IOU的關系，兩條曲線分別代表兩個不同的數據集。分析聚類結果並權衡模型復雜度與IOU值後，YOLOv2選擇K=5，即選擇了5種大小的Box 維度來進行定位預測。

    其中紫色和灰色也是分別表示兩個不同的數據集，可以看出其基本形狀是類似的。更重要的是，可以看出聚類的結果和手動設置的Anchor Box位置和大小差別顯著——結果中扁長的框較少，而瘦高的框更多（更符合行人的特徵）。

    YOLOv2採用的5種Anchor的Avg IOU是61，而採用9種Anchor Boxes的Faster RCNN的Avg IOU是60.9，也就是說本文僅選取5種box就能達到Faster RCNN的9中box的效果。選擇值為9的時候，AVG IOU更有顯著提高。說明K-means方法的生成的boxes更具有代表性。

    直接對Bounding Boxes求回歸會導致模型不穩定，其中心點可能會出現在圖像任何位置，有可能導致回歸過程震盪，甚至無法收斂，尤其是在最開始的幾次迭代的時候。大多數不穩定因素產生自預測Bounding Box的中心坐標（x,y）位置的時候。

    YOLOv2的網路在特徵圖（13*13）的每一個單元格中預測出5個Bounding Boxes（對應5個Anchor Boxes），每個Bounding Box預測出5個值（tx,ty,tw,th,t0），其中前4個是坐標偏移值，t0是置信度結果（類似YOLOv1中的邊界框置信度Confidence）。YOLOv2借鑒了如下的預測方式，即當Anchor Box的中心坐標和寬高分別是（xa,ya）和（wa,wh）時，Bounding Box坐標的預測偏移值（tx,ty,tw,th）與其坐標寬高（x,y,w,h）的關系如下：                         

tx = (x-xa)/wa

ty= (y-ya)/ha

tw = log(w/wa)

th = log(h/ha)

    基於這種思想，YOLOv2在預測Bounding Box的位置參數時採用了如下強約束方法：

    上圖中，黑色虛線框是Anchor Box，藍色矩形框就是預測的Bounding Box結果，預測出的Bounding Box的坐標和寬高為（bx,by）和（bw,bh），計算方式如圖中所示，其中：對每個Bounding Box預測出5個值（tx,ty,tw,th,t0），Cell與圖像左上角的橫縱坐標距離為（cx,cy），σ定義為sigmoid激活函數（將函數值約束到［0,1］），該Cell對應的Anchor Box對應的寬高為（pw,ph）。

    簡而言之，（bx,by）就是（cx,cy）這個Cell附近的Anchor Box針對預測值（tx,ty）得到的Bounding Box的坐標預測結果，同時可以發現這種方式對於較遠距離的Bounding Box預測值（tx,ty）能夠得到很大的限制。

    YOLOv2通過添加一個轉移層，把高解析度的淺層特徵連接到低解析度的深層特徵（把特徵堆積在不同Channel中）而後進行融合和檢測。具體操作是先獲取前層的26*26的特徵圖，將其同最後輸出的13*13的特徵圖進行連接，而後輸入檢測器進行檢測（檢測器的FC層起到了全局特徵融合的作用），以此來提高對小目標的檢測能力。    

    為了適應不同尺度下的檢測任務，YOLOv2在訓練網路時，其在檢測數據集上fine-tuning時候採用的輸入圖像的size是動態變化的。具體來講，每訓練10個Batch，網路就會隨機選擇另一種size的輸入圖像。因為YOLOv2用到了參數是32的下采樣，因此也採用32的倍數作為輸入的size，即採用{320,352,…,608}的輸入尺寸（網路會自動改變尺寸，並繼續訓練的過程）。

這一策略讓網路在不同的輸入尺寸上都能達到較好的預測效果，使同一網路能在不同解析度上進行檢測。輸入圖片較大時，檢測速度較慢，輸入圖片較小時，檢測速度較快，總體上提高了准確率，因此多尺度訓練算是在准確率和速度上達到一個平衡。

    上表反映的是在檢測時，不同大小的輸入圖片情況下的YOLOv2和其他目標檢測演算法的對比。可以看出通過多尺度訓練的檢測模型，在測試的時候，輸入圖像在尺寸變化范圍較大的情況下也能取得mAP和FPS的平衡。

    YOLOv1採用的訓練網路是GoogleNet，YOLOv2採用了新的分類網路Darknet-19作為基礎網路，它使用了較多的3*3卷積核，並把1*1的卷積核置於3*3的卷積核之間，用來壓縮特徵，同時在每一次池化操作後把通道（Channels）數翻倍（借鑒VGG網路）。

    YOLOv1採用的GooleNet包含24個卷積層和2個全連接層，而Darknet-19包含19個卷積層和5個最大池化層（Max Pooling Layers），後面添加Average Pooling層（代替v1中FC層），而Softmax分類器作為激活被用在網路最後一層，用來進行分類和歸一化。

    在ImageNet數據集上進行預訓練，主要分兩步（採用隨機梯度下降法）：

輸入圖像大小是224*224，初始學習率（Learning Rate）為0.1，訓練160個epoch，權值衰減（Weight Decay）為0.0005，動量（Momentum）為0.9，同時在訓練時採用標準的數據增強（Data Augmentation）方式如隨機裁剪、旋轉以及色度、亮度的調整。

fine-tuning：第1步結束後，改用448*448輸入（高解析度模型），學習率改為0.001，訓練10個epoch，其他參數不變。結果表明：fine-tuning後的top-1准確率為76.5%，top-5准確率為93.3%，若按照原來的訓練方式，Darknet-19的top-1准確率是72.9%，top-5准確率為91.2%。可以看出，兩步分別從網路結構和訓練方式方面入手提高了網路分類准確率。

    預訓練之後，開始基於檢測的數據集再進行fine-tuning。    

    首先，先把最後一個卷積層去掉，然後添加3個3*3的卷積層，每個卷積層有1024個卷積核，並且後面都連接一個1*1的卷積層，卷積核個數（特徵維度）根據需要檢測的類數量決定。（比如對VOC數據，每個Cell需要預測5個Boungding Box，每個Bounding Box有4個坐標值、1個置信度值和20個條件類別概率值，所以每個單元格對應125個數據，此時卷積核個數應該取125。）

    然後，將最後一個3*3*512的卷積層和倒數第2個卷積層相連（提取細粒度特徵），最後在檢測數據集上fine-tuning預訓練模型160個epoch，學習率採用0.001，並且在第60和90個epoch的時候將學習率除以10，權值衰減、動量和數據增強方法與預訓練相同。

    YOLO9000通過結合分類和檢測數據集，使得訓練得到的模型可以檢測約9000類物體，利用帶標注的分類數據集量比較大的特點，解決了帶標注的檢測數據集量比較少的問題。具體方法是：一方面採用WordTree融合數據集，另一方面聯合訓練分類數據集和檢測數據集。

    分類數據集和檢測數據集存在較大差別：檢測數據集只有粗粒度的標記信息，如「貓」、「狗」，而分類數據集的標簽信息則更細粒度，更豐富。比如「狗」就包括「哈士奇」、「金毛狗」等等。所以如果想同時在檢測數據集與分類數據集上進行訓練，那麼就要用一種一致性的方法融合這些標簽信息。

    用於分類的方法，常用Softmax（比如v2），Softmax意味著分類的類別之間要互相獨立的，而ImageNet和COCO這兩種數據集之間的分類信息不相互獨立（ImageNet對應分類有9000種，而COCO僅提供80種目標檢測），所以使用一種多標簽模型來混合數據集，即假定一張圖片可以有多個標簽，並且不要求標簽之間獨立，而後進行Softmax分類。

    由於ImageNet的類別是從WordNet選取的，作者採用以下策略重建了一個樹形結構（稱為WordTree）：

遍歷ImageNet的標簽，然後在WordNet中尋找該標簽到根節點(所有的根節點為實體對象)的路徑；

如果路徑只有一條，將該路徑直接加入到WordTree結構中；

否則，從可選路徑中選擇一條最短路徑，加入到WordTree結構中。

WordTree的作用就在於將兩種數據集按照層級進行結合。

    如此，在WordTree的某個節點上就可以計算該節點的一些條件概率值，比如在terrier這個節點，可以得到如下條件概率值：

    進而，如果要預測此節點的概率（即圖片中目標是Norfolk terrier的概率），可以根據WordTree將該節點到根節點的條件概率依次相乘得到，如下式：

其中：        

    YOLO9000在WordTree1k（用有1000類別的ImageNet1k創建）上訓練了Darknet-19模型。為了創建WordTree1k作者添加了很多中間節點（中間詞彙），把標簽由1000擴展到1369。

    訓練過程中GroundTruth標簽要順著向根節點的路徑傳播：為了計算條件概率，模型預測了一個包含1369個元素的向量，而且基於所有「同義詞集」計算Softmax，其中「同義詞集」是同一概念下的所屬詞。

    現在一張圖片是多標記的，標記之間不需要相互獨立。在訓練過程中，如果有一個圖片的標簽是「Norfolk terrier」，那麼這個圖片還會獲得「狗」以及「哺乳動物」等標簽。

    如上圖所示，之前的ImageNet分類是使用一個大Softmax進行分類，而現在WordTree只需要對同一概念下的同義詞進行Softmax分類。然後作者分別兩個數據集上用相同訓練方法訓練Darknet-19模型，最後在ImageNet數據集上的top-1准確率為72.9%，top-5准確率為91.2%；在WordTree數據集上的top-1准確率為71.9%，top-5准確率為90.4%。

    這種方法的好處是有「退而求其次」的餘地：在對未知或者新的物體進行分類時，性能損失更低，比如看到一個狗的照片，但不知道是哪種種類的狗，那麼就預測其為「狗」。

    以上是構造WordTree的原理，下圖是融合COCO數據集和ImageNet數據集以及生成它們的WordTree的示意圖（用顏色區分了COCO數據集和ImageNet數據集的標簽節點）， 混合後的數據集對應的WordTree有9418個類。另一方面，由於ImageNet數據集太大，YOLO9000為了平衡兩個數據集之間的數據量，通過過采樣（Oversampling）COCO數據集中的數據，使COCO數據集與ImageNet數據集之間的數據量比例達到1：4。

    對YOLO9000進行評估，發現其mAP比DPM高，而且YOLO有更多先進的特徵，YOLO9000是用部分監督的方式在不同訓練集上進行訓練，同時還能檢測9000個物體類別，並保證實時運行。雖然YOLO9000對動物的識別性能很好，但是對衣服或者裝備的識別性能不是很好（這跟數據集的數據組成有關）。

    YOLO9000的網路結構和YOLOv2類似，區別是每個單元格只採用3個Anchor Boxes。

    YOLO9000提出了一種在分類數據集和檢測數據集上聯合訓練的機制，即使用檢測數據集（COCO）的圖片去學習檢測相關的信息即查找對象（例如預測邊界框坐標、邊界框是否包含目標及目標屬於各個類別的概率），使用僅有類別標簽的分類數據集（ImageNet）中的圖片去擴展檢測到的對象的可識別種類。

    具體方法是：當網路遇到一個來自檢測數據集的圖片與標記信息，就把這些數據用完整的損失函數（v2和9000均沿用了v1網路的損失函數）反向傳播，而當網路遇到一個來自分類數據集的圖片和分類標記信息，只用代表分類誤差部分的損失函數反向傳播這個圖片。

    YOLO v2 在大尺寸圖片上能夠實現高精度，在小尺寸圖片上運行更快，可以說在速度和精度上達到了平衡，具體性能表現如下所示。

coco數據集

voc2012數據集