yolov3源码分析keras（二）损失函数计算

一、前言

损失函数计算主要分析两部分一部分是yolo_head函数的分析另一部分为ignore_mask的生成的分析。

二、重要细节分析

2.1损失函数计算具体代码及部分分析

 def yolo_loss(args, anchors, num_classes, ignore_thresh=.5, print_loss=False):
     #args前三个元素为yolov3输出的预测值，后三个维度为保存的label 值
     '''Return yolo_loss tensor

     Parameters
     ----------
     yolo_outputs: list of tensor, the output of yolo_body or tiny_yolo_body
     y_true: list of array, the output of preprocess_true_boxes
     anchors: array, shape=(N, 2), wh
     num_classes: integer
     ignore_thresh: float, the iou threshold whether to ignore object confidence loss

     Returns
     -------
     loss: tensor, shape=(1,)

     '''
     num_layers = len(anchors)//3 # default setting
     yolo_outputs = args[:num_layers]
     y_true = args[num_layers:]
     anchor_mask = [[6,7,8], [3,4,5], [0,1,2]] if num_layers==3 else [[3,4,5], [1,2,3]]
     input_shape = K.cast(K.shape(yolo_outputs[0])[1:3] * 32, K.dtype(y_true[0])) #13*32=416  input_shape--->[416,416]
     grid_shapes = [K.cast(K.shape(yolo_outputs[l])[1:3], K.dtype(y_true[0])) for l in range(num_layers)]#(13,13),(26,26),(52,52)
     loss = 0
     m = K.shape(yolo_outputs[0])[0] # batch size, tensor
     mf = K.cast(m, K.dtype(yolo_outputs[0])) #mf为batchsize大小
    #逐层计算损失
     for l in range(num_layers):
         object_mask = y_true[l][..., 4:5] # 取出置信度
         true_class_probs = y_true[l][..., 5:]#取出类别信息
         #yolo_head讲预测的偏移量转化为真实值，这里的真实值是用来计算iou,并不是来计算loss的，loss使用偏差来计算的
         grid, raw_pred, pred_xy, pred_wh = yolo_head(yolo_outputs[l],
              anchors[anchor_mask[l]], num_classes, input_shape, calc_loss=True) #anchor_mask[0]=[6,7,8]
         pred_box = K.concatenate([pred_xy, pred_wh])                            #anchors[anchor_mask[l]]=array([[  116.,   90.],
                                                                                                         # [  156., 198.],
                                                                                                         # [  373., 326.]])
         # Darknet raw box to calculate loss.
         raw_true_xy = y_true[l][..., :2]*grid_shapes[l][::-1] - grid #根据公式将boxes中心点x,y的真实值转换为偏移量
         raw_true_wh = K.log(y_true[l][..., 2:4] / anchors[anchor_mask[l]] * input_shape[::-1])#计算宽高的偏移量
         raw_true_wh = K.switch(object_mask, raw_true_wh, K.zeros_like(raw_true_wh)) # avoid log(0)=-inf(后边有详细解释为什么这么操作)
         box_loss_scale = 2 - y_true[l][...,2:3]*y_true[l][...,3:4]  #（2-box_ares）避免大框的误差对loss 比小框误差对loss影响大

         # Find ignore mask, iterate over each of batch.
         ignore_mask = tf.TensorArray(K.dtype(y_true[0]), size=1, dynamic_size=True)#定义一个size可变的张量来存储不含有目标的预测框的信息
         object_mask_bool = K.cast(object_mask, 'bool')#映射成bool类型  1=true 0=false
         def loop_body(b, ignore_mask):
             true_box = tf.boolean_mask(y_true[l][b,...,0:4], object_mask_bool[b,...,0]) #剔除为0的行
             iou = box_iou(pred_box[b], true_box) #一张图片预测出的所有boxes与所有的ground truth boxes计算iou 计算过程与生成label类似利用了广播特性这里不详细描述
             best_iou = K.max(iou, axis=-1)#找出最大iou
             ignore_mask = ignore_mask.write(b, K.cast(best_iou<ignore_thresh, K.dtype(true_box)))#当iou小于阈值时记录，即认为这个预测框不包含物体
             return b+1, ignore_mask
         _, ignore_mask = K.control_flow_ops.while_loop(lambda b,*args: b<m, loop_body, [0, ignore_mask])#传入loop_body函数初值为b=0，ignore_mask
         ignore_mask = ignore_mask.stack()
         ignore_mask = K.expand_dims(ignore_mask, -1) #扩展维度用来后续计算loss

         # K.binary_crossentropy is helpful to avoid exp overflow.
         #仅计算包含物体框的x,y,w,h的损失
         xy_loss = object_mask * box_loss_scale * K.binary_crossentropy(raw_true_xy, raw_pred[...,0:2], from_logits=True)
         wh_loss = object_mask * box_loss_scale * 0.5 * K.square(raw_true_wh-raw_pred[...,2:4])
         #置信度损失既包含有物体的损失 也包含无物体的置信度损失
         confidence_loss = object_mask * K.binary_crossentropy(object_mask, raw_pred[...,4:5], from_logits=True)+ \
             (1-object_mask) * K.binary_crossentropy(object_mask, raw_pred[...,4:5], from_logits=True) * ignore_mask
         #分类损失只计算包含物体的损失
         class_loss = object_mask * K.binary_crossentropy(true_class_probs, raw_pred[...,5:], from_logits=True)
         #取平均值
         xy_loss = K.sum(xy_loss) / mf
         wh_loss = K.sum(wh_loss) / mf
         confidence_loss = K.sum(confidence_loss) / mf
         class_loss = K.sum(class_loss) / mf
         loss += xy_loss + wh_loss + confidence_loss + class_loss
         if print_loss:
             loss = tf.Print(loss, [loss, xy_loss, wh_loss, confidence_loss, class_loss, K.sum(ignore_mask)], message='loss: ')
     return loss

2.2 yolo_head代码分析

yolo_head主要作用是将预测出的数据转换为真实值。代码如下：

 def yolo_head(feats, anchors, num_classes, input_shape, calc_loss=False):
     """Convert final layer features to bounding box parameters."""
     num_anchors = len(anchors) # num_anchors = 3
     # Reshape to batch, height, width, num_anchors, box_params.
     anchors_tensor = K.reshape(K.constant(anchors), [1, 1, 1, num_anchors, 2])#  [[[[[30.,   61.]
     grid_shape = K.shape(feats)[1:3] # height, width                                 [62.,   45.]
     grid_y = K.tile(K.reshape(K.arange(0, stop=grid_shape[0]), [-1, 1, 1, 1]),  #    [59.,  119.]]]]]
         [1, grid_shape[1], 1, 1])
     grid_x = K.tile(K.reshape(K.arange(0, stop=grid_shape[1]), [1, -1, 1, 1]),
         [grid_shape[0], 1, 1, 1])
     grid = K.concatenate([grid_x, grid_y])
     grid = K.cast(grid, K.dtype(feats))

     feats = K.reshape(
         feats, [-1, grid_shape[0], grid_shape[1], num_anchors, num_classes + 5])#featuremap [N,13,13,3(20+5)]-->[N,13,13,3,(20+5)]

     # Adjust preditions to each spatial grid point and anchor size.
     box_xy = (K.sigmoid(feats[..., :2]) + grid) / K.cast(grid_shape[::-1], K.dtype(feats))#grid 为偏移 ，将x,y相对于featuremap尺寸进行了归一化
     box_wh = K.exp(feats[..., 2:4]) * anchors_tensor / K.cast(input_shape[::-1], K.dtype(feats))#real box_wh
     box_confidence = K.sigmoid(feats[..., 4:5])
     box_class_probs = K.sigmoid(feats[..., 5:])
     if calc_loss == True:
         return grid, feats, box_xy, box_wh
     return box_xy, box_wh, box_confidence, box_class_probs

box真实值与预测值转换公式及示意图：

转换代码如下：

 box_xy = (K.sigmoid(feats[..., :2]) + grid) / K.cast(grid_shape[::-1], K.dtype(feats))#grid 为偏移
 box_wh = K.exp(feats[..., 2:4]) * anchors_tensor / K.cast(input_shape[::-1], K.dtype(feats))#real box_wh

对于初学者这个图也有一定的迷惑性质，可以把上图的每个网格想象成feature map上的一个点，则第一个像素对应的偏移为（0,0），第一行第二个偏移为（1,0）以此类推。图中标注的点偏移量为（1,1）。

yolo_head中转换为真实值时gride偏移相对于特征图尺寸做了归一化。

代码对于预测出的值进行了Sigmoid操作目的是为了让坐标值在0-1之间。

假设蓝色点为13*13的feature map 中的cell预测的中心点坐标为x,y，取sigmoid后其坐标为 (0.3, 0.5)，则真实框在这个尺度上的中心点坐标值为（0.3+1, 0.5+1)，映射到原图尺度为（1.3,1,5）*scale。

在这里scale=32。

其中grid为相对于feature map左上角的偏移量。以13*13的feature map为例来说明box 中心点x,y以及宽高w,h的计算过程。

K.arange(0, stop=grid_shape[0]) ---->[ 0,  1,  2,  3,  4,  5,  6,  7,  8,  9, 10, 11, 12]

K.reshape(K.arange(0, stop=grid_shape[0]), [-1, 1, 1, 1]) ---->  -1表示为变化的维度，放在第一维度表示第一位维是变化的则 shape=[13,1,1,1]  一共包含13行值分别为0,  1,  2,  3,  4,  5,  6,  7,  8,  9, 10, 11, 12。

具体形式如下：[ [ [ [ 0 ] ] ]

..........

[ [ [12 ] ] ] ]

grid_y = K.tile(K.reshape(K.arange(0, stop=grid_shape[0]), [-1, 1, 1, 1]),  [1, grid_shape[1], 1, 1]) ----> 表示在第二个维度重复13次   shape=[13,13,1,1]

具体形式如下：[ [ [ [ 0 ] ]

...........

[ [ 0 ] ]    重复13次
                                            [ [ [ 1 ] ]

............
                                              [ [ 1 ] ]    重复13次
                                            .............
                                            .............

[ [ [ 12 ] ]

...............

[ [12 ] ] ] ]

同理可得到grid_x的具体形式：[ [ [ [  0 ] ]                 shape=[13,13,1,1]
                                                                           [ [  1 ] ]

............

[ [12 ] ] ]

.............

.............

[ [ [ [  0 ] ] 蓝色部分共重复了13次
                                                                           [ [  1 ] ]

............

[ [ 12 ] ] ]

grid最终形式为        [ [ [ [ 0  0 ] ]                           shape=[13,13,1,2]     
                                                               [ [ 1  0 ] ]     
                                                              ................
                                                               [ [12  1 ] ] ]

[ [ [ 0  1 ] ]                    
                                                               [ [ 1  1 ] ]     
                                                              ................

[ [12  1] ] ]

..................

..................

[ [ [ 0  12 ] ]                    
                                                               [ [ 1  12 ] ]     
 
                                                           
................

[ [12  12] ] ]

三、有关损失函数的一些注意事项

ps:   损失函数计算的为偏移量的损失，作者将真实的标签宽高转换为对应特征图尺寸上宽高的偏移量，然后与预测出的宽高偏移量计算误差。并不是将预测出的偏移转换为真实值和标签计算误差。  即计算的为偏移量的误差不是真实值之间的误差。同理中心点误差计算也是特征图上的中心点坐标。

        

实际公式中x_i，y_i尖，为网络预测出的中心点值计算sigmoid之后的值。原版darknet计算中心点损失使用的是方差。keras作者使用的是交叉熵，这点有所不同。