目标检测算法之YOLOv2

前言

昨天介绍了YOLO系列的第一个算法YOLOv1，并详细分析了YOLOv1的网络结构以及损失函数等。今天我们将来分析一下YOLO目标检测算法系列的YOLOv2和YOLO9000。

YOLOv2

原理

YOLOv1作为One-Stage目标检测算法的开山之作，速度快是它最大的优势。但我们知道，YOLOv1的定位不够准，并且召回率低。为了提升定位准确度，提高召回率，YOLOv2在YOLOv1的基础上进行了改进。具体的改进方法如图Fig1所示：

可以看到YOLOv2通过增加一些Trick使得v1的map值从63.4提高到了78.6，说明了YOLOv2改进方法的有效性。接下来我们就分析一下这些改进方法。

批量归一化

这个应该不用多说了，YOLOv2在每个卷积层后面增加了VB层，去掉全连接的dropout。使用BN策略将map值提高了2%。

高分辨率

当前大多数目标检测网络都喜欢使用主流分类网络如VGG,ResNet来做Backbone，而这些网络大多是在ImageNet上训练的，而分辨率的大小必然会影响到模型在测试集上的表现。所以，YOLOv2将输入的分辨率提升到，同时，为了使网络适应高分辨率，YOLOv2先在ImageNet上以的分辨率对网络进行10个epoch的微调，让网络适应高分辨率的输入。通过使用高分辨率的输入，YOLOv2将map值提高了约4%。

基于卷积的Anchor机制

YOLOv1利用全连接层直接对边界框进行预测，导致丢失较多空间信息，定位不准。YOLOv2去掉了YOLOv1中的全连接层，使用Anchor Boxes预测边界框，同时为了得到更高分辨率的特征图，YOLOv2还去掉了一个池化层。由于图片中的物体都倾向于出现在图片的中心位置，若特征图恰好有一个中心位置，利用这个中心位置预测中心点落入该位置的物体，对这些物体的检测会更容易。所以总希望得到的特征图的宽高都为奇数。YOLOv2通过缩减网络，使用416x416的输入，模型下采样的总步长为32，最后得到13x13的特征图，然后对13x13的特征图的每个cell预测5个anchor boxes，对每个anchor box预测边界框的位置信息、置信度和一套分类概率值。使用anchor boxes之后，YOLOv2可以预测13x13x5=845个边界框，模型的召回率由原来的81%提升到88%，mAP由原来的69.5%降低到69.2%.召回率提升了7%，准确率下降了0.3%。这里我们和SSD以及Faster-RCNN做个对比，Faster RCNN输入大小为1000*600时的boxes数量大概是6000，在SSD300中boxes数量是8732。显然增加box数量是为了提高object的定位准确率。

维度聚类

在Faster-RCNN中，Anchor都是手动设定的，YOLOv2使用k-means聚类算法对训练集中的边界框做了聚类分析，尝试找到合适尺寸的Anchor。另外作者发现如果采用标准的k-means聚类，在box的尺寸比较大的时候其误差也更大，而我们希望的是误差和box的尺寸没有太大关系。所以通过IOU定义了如下的距离函数，使得误差和box的大小无关： 

Fig2展示了聚类的簇的个数和IOU之间的关系，两条曲线分别代表了VOC和COCO数据集的测试结果。最后结合不同的K值对召回率的影响，论文选择了K=5，Figure2中右边的示意图是选出来的5个box的大小，这里紫色和黑色也是分别表示两个不同的数据集，可以看出其基本形状是类似的。而且发现聚类的结果和手动设置的anchor box大小差别显著。聚类的结果中多是高瘦的box，而矮胖的box数量较少，这也比较符合数据集中目标的视觉效果。

在结果测试时，YOLOv2采用的5种Anchor可以达到的Avg IOU是61，而Faster-RCNN采用9种Anchor达到的平均IOU是60.9，也即是说本文仅仅选取5种Anchor就可以达到Faster-RCNN中9种Anchor的效果。如Table1所示：

新Backbone:Darknet-19

YOLOv2采用Darknet-19，其网络结构如下图所示，包括19个卷积层和5个max pooling层，主要采用卷积和卷积，这里卷积可以压缩特征图通道数以降低模型计算量和参数，每个卷积层后使用BN层以加快模型收敛同时防止过拟合。最终采用global avg pool 做预测。采用YOLOv2，模型的mAP值没有显著提升，但计算量减少了。

在这里插入图片描述

直接位置预测

YOLOv2在引入Anchor的时候碰到第2个问题：模型不稳定，尤其是训练刚开始阶段。论文任务这种不稳定主要来自box的(x,y)预测值。我们知道在Faster-RCNN中，是通过预测下图中的tx和ty来得到(x,y)值，也就是预测的是offset。另外关于文中的这个公式，这个地方应该把后面的减号改成加号，这样才能符合公式下面的example。这里和是anchor的坐标，和是anchor的size，和是坐标的预测值，和是偏移量。例子翻译过来是：当预测时，就会把box向右边移动一定距离（具体为anchor box的宽度），预测时，就会把box向左边移动相同的距离。这个公式没有任何限制，使得无论在什么位置进行预测，任何anchor boxes可以在图像中任意一点结束,模型随机初始化后，需要花很长一段时间才能稳定预测敏感的物体位置。.

注意，高能来了！！！分析了原因之后，YOLOv2没有采用直接预测offset的方法，还是沿用了YOLO算法中直接预测相对于grid cell的坐标位置的方式。前面提到网络在最后一个卷积层输出13*13大小的特征图，然后每个cell预测5个bounding box，然后每个bounding box预测5个值：，，，和（这里的类似YOLOv1中的confidence）。和经过sigmoid函数处理后范围在0到1之间，这样的归一化处理使得模型训练更加稳定。和表示一个cell和图像左上角的横纵距离。和表示bounding box的宽高，这样bx和by就是cx和cy这个cell附近的anchor来预测tx和ty得到的结果。如Fig3所示：

其中，和表示grid cell与图像左上角的横纵坐标距离，黑色虚线框是bounding box，蓝色矩形框就是最终预测的结果。注意，上图右边里面的可以理解为，可以理解为。每一个输出的bounding box是针对于一个特定的anchor，anchor其实是bounding box的width及height的一个参考。和是某个anchor box的宽和高，一个格子的Cx和Cy单位都是1，，是相对于某个格子左上角的偏移量。

细粒度特征

YOLOv2提取Darknet-19最后一个max pool层的输入，得到26x26x512的特征图。经过1x1x64的卷积以降低特征图的维度，得到26x26x64的特征图，然后经过pass through层的处理变成13x13x256的特征图（抽取原特征图每个2x2的局部区域组成新的channel，即原特征图大小降低4倍，channel增加4倍），再与13x13x1024大小的特征图连接，变成13x13x1280的特征图，最后在这些特征图上做预测。使用Fine-Grained Features，YOLOv2的性能提升了1%。这个过程可以在下面的YOLOv2的结构图中看得很清楚：

在这里插入图片描述

多尺度训练

OLOv2中使用的Darknet-19网络结构中只有卷积层和池化层，所以其对输入图片的大小没有限制。YOLOv2采用多尺度输入的方式训练，在训练过程中每隔10个batches,重新随机选择输入图片的尺寸，由于Darknet-19下采样总步长为32，输入图片的尺寸一般选择32的倍数{320,352,…,608}。采用Multi-Scale Training, 可以适应不同大小的图片输入，当采用低分辨率的图片输入时，mAP值略有下降，但速度更快，当采用高分辨率的图片输入时，能得到较高mAP值，但速度有所下降。

这种机制使得网络可以更好地预测不同尺寸的图片，意味着同一个网络可以进行不同分辨率的检测任务，在小尺寸图片上YOLOv2运行更快，在速度和精度上达到了平衡。在小尺寸图片检测中，YOLOv2成绩很好，输入为228 * 228的时候，帧率达到90FPS，mAP几乎和Faster R-CNN的水准相同。使得其在低性能GPU、高帧率视频、多路视频场景中更加适用。在大尺寸图片检测中，YOLOv2达到了SOAT结果，VOC2007 上mAP为78.6%，仍然高于平均水准，下图是YOLOv2和其他网络的精度对比：

速度对比：

训练

YOLOv2的训练主要包括三个阶段。第一阶段：作者使用Darknet-19在标准1000类的ImageNet上训练了160次，用的随机梯度下降法，starting learning rate 为0.1，polynomial rate decay 为4，weight decay为0.0005 ，momentum 为0.9。训练的时候仍然使用了很多常见的数据扩充方法（data augmentation），包括random crops, rotations, and hue, saturation, and exposure shifts。（这些训练参数是基于darknet框架，和caffe不尽相同）初始的224 * 224训练后，作者把分辨率上调到了448 * 448，然后又训练了10次，学习率调整到了0.001。高分辨率下训练的分类网络在top-1准确率76.5%，top-5准确率93.3%。

第二个阶段：分类网络训练完后，就该训练检测网络了，作者去掉了原网络最后一个卷积层，转而增加了三个3 * 3 * 1024的卷积层（可参考darknet中cfg文件），并且在每一个上述卷积层后面跟一个1 * 1的卷积层，输出维度是检测所需的数量。对于VOC数据集，预测5种boxes大小，每个box包含5个坐标值和20个类别，所以总共是5 * （5+20）= 125个输出维度。同时也添加了转移层（passthrough layer ），从最后那个3 * 3 * 512的卷积层连到倒数第二层，使模型有了细粒度特征。作者的检测模型以0.001的初始学习率训练了160次，在60次和90次的时候，学习率减为原来的十分之一。其他的方面，weight decay为0.0005，momentum为0.9，依然使用了类似于Faster-RCNN和SSD的数据扩充（data augmentation）策略。

总结

YOLOv2借鉴了很多其它目标检测方法的一些技巧，如Faster R-CNN的anchor boxes, SSD中的多尺度检测。除此之外，YOLOv2在网络设计上做了很多tricks,使它能在保证速度的同时提高检测准确率，Multi-Scale Training更使得同一个模型适应不同大小的输入，从而可以在速度和精度上进行自由权衡。

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