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网络

原始网络结构

原始网络采用24层卷积层进行特征的抽取，这部分参数在ImageNet数据集上预训练来初始化。

Head部分采用两个全连接层实现，首先将7*7*1024的Tensor Flatten，并送入输出为4096的全连接层；再接一个输出为1470的全连接层。

最后将1470的向量reshape成7*7*30.

输出解析

输出为SxSx(B*5+C)的tensor,其中SxS为grid cell的个数.

每个grid cell预测B个bounding box.每个bounding box有5个参数----中心点的坐标x和y,box的宽w和高h以及这个box包含物体的置信度confidence.

C是物体各个类别的概率(这里是20),这里的概率是条件概率,即在这个grid cell预测的某个bounding box预测物体时,各个类别的概率.
$$
P(class)=P(class|obj)*confidence
$$

损失函数

损失函数loss共分为五个部分:

第一部分是负责检测物体的bounding box的中心点定位误差

如何确认负责检测物体的box?

对于训练数据,确定gtbox的中心点,由这些中心点落在的grid cell负责预测该物体.而一个grid cell将预测B个box,将从这B个box中选出与gtbox IOU值最大的那个box作为预测框.

这个cell的其他B-1个box和那些不预测物体的cell产生的box一样,不计入xywh的损失,只计算他们的置信度误差(c=0)

第二部分是负责检测物体的bounding box的宽高定位误差

这里开根号是为了降低大框的loss权重,让网络更关注小框

三四部分都是置信度回归误差.计算预测值C与标签值的平方和误差

对于预测物体的bounding box,标签值这里取得是 C = Pr(obj)*IOU 其实对于预测物体的bouding box Pr(obj)=1 所以标签值就是IOU

对于其他的box,标签值就是0.

最后一部分是类别预测的误差.对于那些预测物体的grid cell 计算各个概率的平方和误差

loss中$\lambda$是各个损失的权值,比如应该更关注预测物体的box的误差 $\lambda_{coord}$而相对忽略不预测物体的box误差$\lambda_{noobj}$

网络改进

网络改进主要有以下几点:

①改进骨干网络

官方的YOLOv1的主干网络是参考了GoogLeNet设计的（没有inception结构），这里我们直接替换成ResNet18。关于ResNet18的网络结构，如下图所示

ResNet18网络更轻，使用了诸如residual connection、batch normalization等结构，性能上要更强于原先的backbone网络。这里，我们没必要换更大的ResNet网络，如ResNet50、101等，18即可满足要求。

②增加Neck

对于给定输入的416x416x3的图像，经过ResNet18网络处理后，最后会输出一张13x13x512的特征图。这里，我们添加一个Neck结构，对特征图中的信息进行更好地处理，这里，我们选择性价比极高的SPP

注意，SPP接受的输入特征图大小是13x13x512，经过四个maxpooling分支处理后，再汇合到一起，那么得到的是一个13x13x2048的特征图，这里，我们会再接一个1x1的卷积层（conv1x1+BN+LeakyReLU）将通道压缩一下，这个1x1的卷积层没有在图中体现出来。

最终Neck部分的输出同样是13x13x512的特征图。

③改进Detection head

官方的YOLOv1中这一部分使用了全连接层，也就是先将特征图flatten成一维向量，然后接全连接层得到4096维的一维向量。这里，我们抛掉flatten操作，而是在SPP输出的13x13x512的特征图上使用若干层卷积来处理，类似于RetinaNet那样。这里，我们使用非常简单的1x1卷积和3x3卷积重复堆叠的方式，如下图所示：

④改进prediction层

官方的YOLOv1最后使用全连接层来做预测，我们直接替换成当下主流的做法：用1x1卷积在特征图上去做预测，具体来说，head输出一个13x13x512大小的特征图，然后用1x1卷积（不接BN层，不接激活函数）去得到一个13x13x(1+C+4)的特征图，其中1对应YOLO中的objectness预测，C对应类别预测（PASCAL VOC上，C=20；COCO上，C=80），4则是bbox预测.

注意!!! 这里，每个grid处只预测一个bbox，而不是B个

如上图所示，objectness分支我们使用sigmoid来输出，class分支则用softmax来输出，这三个预测，我们稍微展开讲一下。

objectness预测

不同于官方YOLOv1中的使用预测框和真实框之间的IoU作为优化目标，我们直接采用最简单的01标签即可。无需在训练过程中计算IoU。

class预测

不同于官方YOLOv1的线性输出，我们使用更为合理的softmax来输出。

bbox预测

在YOLOv1中，bbox分支就是学习中心点的偏移量 $c_x,c_y$ 和归一化的边界框的宽高w,h ，但是不论是哪个量，YOLOv1均使用线性函数来输出，未加任何约束限制，很明显会有以下两点问题：

a) 由于偏移量$c_x,c_y$是介于01范围内的数，因此，其本身就是有上下界的，而线性输出并没有上下界，这就容易导致在学习的初期，网络可能预测的值非常大，导致bbox分支学习不稳定。因此，在YOLOv2的时候，作者就添加了sigmoid函数来将其映射到01范围内。

这里，我们也采用同样的办法，对于偏移量部分，我们使用sigmoid来输出，并将其符号改为 $t_x,t_y$

b) 边界框的宽高显然是个非负数，而线性输出不能保证这一点，输出一个负数，是没有意义的。一种解决办法是约束输出为非负，如用ReLU函数，但这种办法就会隐含一个约束条件，这并不利于优化，而且ReLU的0区间无法回传梯度；另一个办法就是使用exp-log方法，具体来说，就是将 w,h 用log函数来处理一下：

$tw=log(w)$

$t_h=log(h) $

网络去学习 $t_w,t_h$ ，由于这两个量的值域是实数全域，没有上下界，因此就无需担心约束条件对优化带来的影响。然后，网络对于预测的$t_w,t_h$ 使用exp函数即可得到

$w=exp(t_w) $

$h=exp(t_h) $

⑤损失函数

除此之外还使用了Batch norm (卷积+BN+激活函数)

最终网络

这里B=1，S=13

复现

项目结构

项目结构如下图，其中：

根目录下的test.py/train.py分别用于模型的测试与训练
backbone文件夹存放了骨干网络resnet的网络结构，并提供了预训练选项。网络结构见resnet论文精读
data文件夹存放了VOC数据集和COCO数据集的DataSet实现，其中tranform.py保存了一些比较常见的数据增广函数，如随机剪裁、随机翻转、HSV调节等
evaluator文件夹下主要是评估模型的evaluator，通过mAP衡量模型的accu
models文件夹存放了yolov1的网络实现，loss.py存放了损失函数的实现
utils文件夹存放了计算模型参数容量的工具

项目依赖

torch
torchvision
opencv-python
thop
scipy
matplotlib
numpy
pycocotools

开源代码

见JJJYmmm的github

运行效果

训练：train.py

1.可选参数

2.训练过程

从头开始训练

python train.py --cuda -d voc -ms -bs 64 -accu 4 --lr 0.001 --max_epoch 150 --lr_epoch 90 120

keep-training（继续训练）

python train.py --cuda -d voc -ms -bs 64 -accu 4 --lr 0.001 --max_epoch 150 --lr_epoch 90 120 --start_epoch 120 -r ~/d2l/myYOLO/weights/voc/yolo/yolo_epoch_111_64.3.pth