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【目标检测】yolo系列：从yolov1到yolov5之YOLOv2详解及复现

發布時間：2023/11/27 生活经验 54 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了【目标检测】yolo系列：从yolov1到yolov5之YOLOv2详解及复现小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

YOLO v2

Yolov2論文鏈接：YOLO9000: Better, Faster, Stronger

yolov2的改進

從Yolov2論文的標題可以直觀看到就是Better、Faster、Stronger。Yolov1發表之后，計算機視覺領域出現了很多trick，例如批歸一化、多尺度訓練等等，v2也嘗試借鑒了R-CNN體系中的anchor box，所有的改進提升，下面逐一介紹。

1. Batch Normalization（批歸一化）*

檢測系列的網絡結構中，BN逐漸變成了標配。在Yolo的每個卷積層中加入BN之后，mAP提升了2%，并且去除了Dropout。

2. Dimension Clusters（Anchor Box的寬高由聚類產生）

這里是yolov2的一個創新點。在v2中，Anchor Box的寬高不經過人為手動獲取，而是將訓練數據集中的矩形框全部拿出來，用k-means聚類的方式學習得到先驗框的寬和高，目的使得大框小框的損失同等衡量。例如使用5個Anchor Box，那么k-means聚類的類別中心個數設置為5。

聚類必須要定義聚類點（矩形框(w, h) ）之間的距離函數，使用（1-IOU）數值作為兩個矩形框的的距離函數，如下函數所示：
$d (b o x, c e n t r o i d) = 1 ? I O U (b o x, c e n t r o i d)$
聚類的結果發現，聚類中心的目標框和以前手動選取的不大一樣，更多的是較高、較窄的目標框。聚類結果也有了更好的性能。

3. Box Regression（框回歸）

YOLOv2對框回歸過程進行了改進，過去的框回歸過程，由于對 $t_{x}$ 和 $t_{y}$ 參數沒有約束，使得回歸后的目標框可以位移到任意位置，這也導致YOLO的框回歸中存在不穩定性。改進的做法為引入sigmid函數，對預測的 $x$ 和 $y$ 進行約束。

YOLOv2在框回歸時，為每一個目標框預測5個參數： $t_{x}$ , $t_{y}$ , $t_{w}$ , $t_{h}$ , $t_{o}$ ，調整的計算公式為：

$c_{x}$ , $c_{y}$ 為格子的左上角坐標（行列值）， $p_{w}$ , $p_{h}$ 為anchor原始的寬度。
當 $t_{x}=0$ 時， $σ(tx)=0.5\sigma(t_x)=0.5$ ， $b_{x}$ 剛剛好位于格子中間。
$t_{w}$ , $t_{h}$ 用來控制寬高的縮放， $t_{o}$ 用來表達置信度信息。

通過使用sigmod函數，將偏移量的范圍限制到0到1之間，使得預測框的中心坐標總位于格子內部，減少了模型的不穩定性。

另外，YOLOv2的分類置信度不再共享，每個anchor單獨預測。即每一個anchor得到C+5 的預測值。

4. Fine-Grained Features（細粒度特征）

在26 * 26的特征圖，經過卷積層等，變為13 * 13的特征圖后，作者認為損失了很多細粒度的特征，如圖所示，導致小尺寸物體的識別效果不佳，所以在此加入了passthrough層。

passthrough層在預測時使用，將網絡中間層的特征圖輸出（具體見下圖），將降采樣時同一位置的像素分解成4個子圖，concat合并起來。變換后通道數變為4倍，降采樣2倍。如從512×26×26變為2048×13×13，在這一次操作中不損失細粒度特征。

passthrough層的使用，融合了較高分辨率下的特征信息。

5. Multi-Scale Training（多尺寸訓練）

Yolov2的網絡結構中只有卷積層與池化層，為了增加網絡的魯棒性，YOLOv2在訓練過程中可以動態調整網絡的輸入大小，同時相應地調整網絡的結構以滿足輸入。整個網絡的降采樣倍數為32，只要輸入的特征圖尺寸為32的倍數即可（如果網絡中有全連接層，就不是這樣了）。所以Yolo v2可以使用不同尺寸的輸入圖片訓練。

作者使用的訓練方法是，在每10個batch之后，就將圖片resize成{320, 352, …, 608}中的一種。不同的輸入，最后產生的格點數不同，比如輸入圖片是320 * 320，那么輸出格點是10 * 10，如果每個格點的先驗框個數設置為5，那么共輸出500個預測結果；如果輸入圖片大小是608 * 608，輸出格點就是19 * 19，共輸出1805個預測結果。

網絡結構

YOLOv2中使用了一種新的基礎網絡結構，基于Googlenet，名為Darknet-19。擁有19個卷積層和5個Max Pooling層，網絡中使用了Batch Normalization來加快收斂。
v2中移除了v1最后的兩層全連接層，全連接層計算量大，耗時久。v2主要是各種trick引入后的效果驗證，建議不必糾結于v2的網絡結構。

訓練過程

主要的訓練過程為：

（1）先使用ImageNet數據集對Darknet-19進行分類訓練，輸入圖片大小為224×224，包含標準的數據擴充方式。
（2）將輸入圖片大小調整為448×448，進行fine-tune。
（3）去掉分類的輸出層，添加上文提到的目標檢測輸出層，進行目標檢查的訓練。

YOLOv2在上述訓練的基礎上，又進行了一個聯合訓練，額外使用只包含標簽信息的數據集來進行分類訓練，擴大網絡可以預測的物體種類數，使其變得更加強大，即YOLO9000。

使用教程

源碼地址（pytorch版本）：https://github.com/longcw/yolo2-pytorch
（注意，該項目不再維護，并且可能和yolo4后的項目不兼容）

注 1：這仍然是一個實驗項目。VOC07 ??測試 mAP 約為 0.71（在 VOC07+12 trainval 上訓練）。

注意 2：建議使用torch.utils.data.Dataset編寫自己的數據加載器，因為multiprocessing.Pool.imap即使沒有足夠的內存空間也不會停止。

Installation and demo

Clone倉庫
下載訓練模型的權重文件 yolo-voc.weights.h5 (link updated) 并且在demo.py中設置其路徑。
運行demo.py.

Training YOLOv2

可以在任意數據集上訓練yolov2，這邊，將以VOC2007/2012數據集為示例。
1. 下載訓練、驗證、測試數據和 VOCdevkit并解壓

wget http://host.robots.ox.ac.uk/pascal/VOC/voc2007/VOCtrainval_06-Nov-2007.tar
wget http://host.robots.ox.ac.uk/pascal/VOC/voc2007/VOCtest_06-Nov-2007.tar
wget http://host.robots.ox.ac.uk/pascal/VOC/voc2007/VOCdevkit_08-Jun-2007.tar
tar xvf VOCtrainval_06-Nov-2007.tar
tar xvf VOCtest_06-Nov-2007.tar
tar xvf VOCdevkit_08-Jun-2007.tar

2. 數據集結構目錄按如下組織

$VOCdevkit/                           # development kit
$VOCdevkit/VOCcode/                   # VOC utility code
$VOCdevkit/VOC2007                    # image sets, annotations, etc.
# ... and several other directories ...

3. 下載預訓練模型
下載預訓練模型darknet19，然后在yolo2-pytorch/cfgs/exps/darknet19_exp1.py.中設置路徑。

4. 可視化訓練過程
要使用 TensorBoard，需要在 yolo2-pytorch/cfgs/config.py 中設置 use_tensorboard = True 并安裝 TensorboardX。 Tensorboard 日志將保存在訓練/運行中。

5. 運行訓練代碼：python train.py.

Evaluation

在yolo2-pytorch/cfgs/config.py中設置把訓練好的模型的路徑。

然后運行預測代碼。

Training on your own dataset

如果需要在自己的數據集上訓練，前向傳遞要求向網絡提供乳腺癌 4 個參數：

im_data - 圖像數據。
- 這應該是 C x H x W 格式，其中 C 對應于圖像的顏色通道，H 和 W 分別是高度和寬度。顏色通道應為 RGB 格式。
- 使用 utils/im_transform.py 中提供的 imcv2_recolor 函數來預處理圖像。此外，請確保圖像已調整為 416 x 416 像素
gt_boxes - numpy 數組的列表，其中每個數組的大小為 N x 4，其中 N 是圖像中的特征數。每行中的四個值應對應于 x_bottom_left、y_bottom_left、x_top_right 和 y_top_right。
gt_classes - numpy 數組的列表，其中每個數組包含一個整數值，對應于 gt_boxes 中提供的每個邊界框的類
dontcare - 列表的列表

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【目标检测】yolo系列：从yolov1到yolov5之YOLOv2详解及复现的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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