物体检测方法(1) - YOLO 详解

最近遇到一些卡证识别的检测问题，打算先把理论知识梳理一下，随后还会梳理一版代码注释。

　　以前的region+proposal来检测的框架，这一系列速度和精度不断提高，但是还是无法达到实时。存在的主要问题为：速度不够快，主要原因是proposal比较多，特征进行分类的时候,相同区域的特征计算多遍，所以BGR大神有了最新作品，YOLO,故名思议，就是解决Faster-RCNN中proposal重复look的问题。这一些列代表作有YOLO和SSD.首先介绍YOLO.

1. 作者Joseph Redmon ∗ , Santosh Divvala ∗† , Ross Girshick ¶ , Ali Farhadi，文献[1]
2. 优点，速度快（45fps,小模型快速版本为155fps），缺点，很明显对位置预测不够精确，对小物体效果不够理想。
3. 做法，简单粗暴，网格划分为S*S个网格，对每个网格直接进行回归预测，最后NMS进行处理。

1. YOLO的核心思想

• YOLO的核心思想就是利用整张图作为网络的输入，直接在输出层回归bounding box的位置和bounding box所属的类别。
• 没记错的话faster RCNN中也直接用整张图作为输入，但是faster-RCNN整体还是采用了RCNN那种 proposal+classifier的思想，只不过是将提取proposal的步骤放在CNN中实现了。

2.YOLO的实现方法

• 将一幅图像分成SxS个网格(grid cell)，如果某个object的中心 落在这个网格中，则这个网格就负责预测这个object。
• 每个网格要预测B个bounding box，每个bounding box除了要回归自身的位置之外，还要附带预测一个confidence值。 这个confidence代表了所预测的box中含有object的置信度和这个box预测的有多准两重信息，其值是这样计算的： 其中如果有object落在一个grid cell里，第一项取1，否则取0。 第二项是预测的bounding box和实际的groundtruth之间的IoU值。
• 每个bounding box要预测(x, y, w, h)和confidence共5个值，每个网格还要预测一个类别信息，记为C类。则SxS个网格，每个网格要预测B个bounding box还要预测C个categories。输出就是S x S x (5*B+C)的一个tensor。 注意：class信息是针对每个网格的，confidence信息是针对每个bounding box的。
• 举例说明:在PASCAL VOC中，图像输入为448x448，取S=7，B=2，一共有20个类别(C=20)。则输出就是7x7x30的一个tensor。 整个网络结构如下图所示：
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• 在test的时候，每个网格预测的class信息和bounding box预测的confidence信息相乘，就得到每个bounding box的class-specific confidence score:
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• 等式左边第一项就是每个网格预测的类别信息，第二三项就是每个bounding box预测的confidence。这个乘积即encode了预测的box属于某一类的概率，也有该box准确度的信息。
• 得到每个box的class-specific confidence score以后，设置阈值，滤掉得分低的boxes，对保留的boxes进行NMS处理，就得到最终的检测结果。

3.YOLO的实现细节

• 每个grid有30维，这30维中，8维是回归box的坐标，2维是box的confidence，还有20维是类别。 其中坐标的x,y用对应网格的offset归一化到0-1之间，w,h用图像的width和height归一化到0-1之间。
• 在实现中，最主要的就是怎么设计损失函数，让这个三个方面得到很好的平衡。作者简单粗暴的全部采用了sum-squared error loss来做这件事。 这种做法存在以下几个问题： 第一，8维的localization error和20维的classification error同等重要显然是不合理的； 第二，如果一个网格中没有object（一幅图中这种网格很多），那么就会将这些网格中的box的confidence push到0，相比于较少的有object的网格，这种做法是overpowering的，这会导致网络不稳定甚至发散。
• 解决办法：
• 更重视8维的坐标预测，给这些损失前面赋予更大的loss weight, 记为在pascal VOC训练中取5。
• 对没有object的box的confidence loss，赋予小的loss weight，记为在pascal VOC训练中取0.5。
• 有object的box的confidence loss和类别的loss的loss weight正常取1。
• 对不同大小的box预测中，相比于大box预测偏一点，小box预测偏一点肯定更不能被忍受的。而sum-square error loss中对同样的偏移loss是一样。 为了缓和这个问题，作者用了一个比较取巧的办法，就是将box的width和height取平方根代替原本的height和width。这个参考下面的图很容易理解，小box的横轴值较小
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• [补充，个人觉得还有更好的选择，W,H归一化为相对变化，这样对不同大小的物体，w,同等对待]，发生偏移时，反应到y轴上相比大box要大。
• 一个网格预测多个box，希望的是每个box predictor专门负责预测某个object。具体做法就是看当前预测的box与ground truth box中哪个IoU大，就负责哪个。这种做法称作box predictor的specialization。
• 最后整个的损失函数如下所示： 这个损失函数中：
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• 只有当某个网格中有object的时候才对classification error进行惩罚。
• 只有当某个box predictor对某个ground truth box负责的时候，才会对box的coordinate error进行惩罚，而对哪个ground truth box负责就看其预测值和ground truth box的IoU是不是在那个cell的所有box中最大。
• 其他细节，例如使用激活函数使用leak RELU，模型用ImageNet预训练等等，在这里就不一一赘述了。

4.YOLO的缺点

• YOLO对相互靠的很近的物体，还有很小的群体 检测效果不好，这是因为一个网格中只预测了两个框，并且只属于一类。
• 对测试图像中，同一类物体出现的新的不常见的长宽比和其他情况是。泛化能力偏弱。
• 由于损失函数的问题，定位误差是影响检测效果的主要原因。尤其是大小物体的处理上，还有待加强。
• 简介： 由于YOLO简单粗暴的将图像进行网格划分，然后对每个网格进行处理，这样导致定位不精确等一些列问题。而基于region proposal却又定位较精确的优点，那么SSD就结合了YOLO和anchor进行检测，结果也是比yolo提高很多【72%mAP】,速度58fps.
• 和faster的anchor不同之处在于，SSD在多个featureMap上进行处理，因为每一层featureMap的感受野不同。 faster是先提取proposal，然后在分类，而SSD值利用anchor直接进行分类和BBox回归。由于他是Yolo和anchor的结合，具体不再展开。
• 下面给出SSD和YOLO网络比较：
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5.SSD,文献【2】

 [1].You Only Look Once:Unified, Real-Time Object Detection

 [2].SSD:Single Shot MultiBox Detector