YOLO-论文笔记-理解

论文:https://arxiv.org/abs/1506.02640

GitHub源码地址:https://github.com/pjreddie/darknet

翻译:
http://noahsnail.com/2017/08/02/2017-8-2-YOLO%E8%AE%BA%E6%96%87%E7%BF%BB%E8%AF%91%E2%80%94%E2%80%94%E4%B8%AD%E6%96%87%E7%89%88/

理解参考:
https://zhuanlan.zhihu.com/p/25236464

核心技术:
YOLO将输入的图像分割为SxS个格子,如果一个检测目标的中心落入一个单元格中,则该网格负责检测该目标.
例如下图中的狗就由第五行,第二格的格子负责预测狗的boundingbox.

每个网格单元预测这些盒子的B个边界框和置信度分数。这些置信度分数反映了该模型对盒子是否包含目标的信心，以及它预测盒子的准确程度。在形式上，我们将置信度定义为Pr(Object)∗IOUtruthpred$Pr(Object)\ast IO{U}_{pred}^{truth}$.如果该单元格中不存在目标，则置信度分数应为零。否则，我们希望置信度分数等于预测框与真实值之间联合部分的交集（IOU）.

每个边界框包含五个预测:x,y,w,h$x,y,w,h$和置信度,(x,y)$(x,y)$坐标表示边界框相对于网格单元边界框的中心坐标,宽度和高度是相对于整个图片进行预测的.最后置信度预测表示预测框和实际边界框之间的IOU.

每个网格单元还预测C$C$个条件类别概率Pr(Classi|Object)$Pr(Clas{s}_i|Object)$.这些概率以包含目标的网格单元为条件,每个网格单元我们只预测一组类别概率,不管边界框的数量B是多少(每个网格单元只对一个目标负责).

例如在Pascal VOC上进行训练测试的时候,使用S=7$S=7$,B=2,$B=2,$.Pascal VOC有20个标注类,所以C=20$C=20$,最终得到的就是一个7x7x30$7x7x30$的张量.

网络结构如下:

Loss Function定义:
YOLO使用均方和误差作为loss函数来优化模型参数,即网络输出的S*S*(B*5+C)维向量与真实图像的对应S*S*(B*5+C)维向量的均方和误差.其中coordError,iouError,classRrror$coordError,iouError,classRrror$分别代表预测数据与标定数据之间的坐标误差,IOU误差和分类误差.

loss=∑i=0s2coordError+iouError+classError$$loss=\sum _{i=0}^{s^2}coordError+iouError+classError$$

YOLO对上面这个loss function进行了一些修正.
1)位置相关误差(坐标,IOU)与分类误差对网络loss的共享值是不同的,因此YOLO在计算loss时,使用λcoord=5${\lambda }_{coord}=5$修正coordError$coordError$
2)在计算IOU的时候,包含物体的格子与不包含物体的格子,二者的IOU误差对loss的共享是不同的,若采用相同权重,那么不包含物体的格子的confidence值近似为0，变相放大了包含物体的格子的confidence误差在计算网络参数梯度时的影响。为解决这个问题，YOLO 使用λnoobj=0.5${\lambda }_{noobj}=0.5$修正iouError$iouError$(注此处的‘包含’是指存在一个物体，它的中心坐标落入到格子内).
3)对于相等的误差值，大物体误差对检测的影响应小于小物体误差对检测的影响。这是因为，相同的位置偏差占大物体的比例远小于同等偏差占小物体的比例。YOLO将物体大小的信息项（w和h）进行求平方根来改进这个问题。（注：这个方法并不能完全解决这个问题）
(注:此部分转载自知乎用户”赵丽丽”的专栏文章)
下面是YOLO中优化的多部分损失函数.

loss=λcoord∑i=0s2∑j=0B1objij[(xi−x^i)2+(yi−y^i)2]+λcoord∑i=0s2∑j=0B1objij[(wi−−√−w^i−−√)2+(hi−−√−h^i−−√)2]+∑i=0s2∑j=0B1objij(Ci−C^i)2+λnoobj∑i=0s2∑j=0B1noobjij(Ci−C^i)2+∑i=0s21obji∑c∈classes(pi(c)−p^i(c))2$$\begin{gathered} loss={\lambda }_{coord}\sum _{i=0}^{s^2}\sum _{j=0}^B{1}_{ij}^{obj}[(x_i-{\hat{x}}_i{)}^2+(y_i-{\hat{y}}_i{)}^2] \\ +{\lambda }_{coord}\sum _{i=0}^{s^2}\sum _{j=0}^B{1}_{ij}^{obj}[(\sqrt{w_i}-\sqrt{{\hat{w}}_i}{)}^2+(\sqrt{h_i}-\sqrt{{\hat{h}}_i}{)}^2] \\ +\sum _{i=0}^{s^2}\sum _{j=0}^B{1}_{ij}^{obj}(C_i-{\hat{C}}_i{)}^2 \\ +{\lambda }_{noobj}\sum _{i=0}^{s^2}\sum _{j=0}^B{1}_{ij}^{noobj}(C_i-{\hat{C}}_i{)}^2 \\ +\sum _{i=0}^{s^2}{1}_i^{obj}\sum _{c\in classes}(p_i(c)-{\hat{p}}_i(c){)}^2 \end{gathered}$$

其中1obji$1_i^{obj}$表示目标是否出现在网格单元i$i$中,1objij$1_{ij}^{obj}$表示网格单元i$i$中的第j$j$个边界框预测器负责该预测.
注意，如果目标存在于该网格单元中（前面讨论的条件类别概率），则损失函数仅惩罚分类错误。如果预测器“负责”实际边界框（即该网格单元中具有最高IOU的预测器），则它也仅惩罚边界框坐标错误。

突出贡献:
YOLO将物体检测作为回归问题求解。基于一个单独的end-to-end网络，完成从原始图像的输入到物体位置和类别的输出
.同时达到速度快效果好的目标.

缺陷:
虽然每个格子可以预测B个bounding box，但是最终只选择只选择IOU最高的bounding box作为物体检测输出，即每个格子最多只预测出一个物体。当物体占画面比例较小，如图像中包含畜群或鸟群时，每个格子包含多个物体，但却只能检测出其中一个。这是YOLO方法的一个缺陷。
1)对小物体的检测效果不够好.
2)对boundingBox的预测不够精确.