一文看懂YOLO v3

原文链接：https://blog.csdn.net/litt1e/article/details/88907542

论文地址：https://pjreddie.com/media/files/papers/YOLOv3.pdf
论文：YOLOv3: An Incremental Improvement

YOLO系列的目标检测算法可以说是目标检测史上的宏篇巨作，接下来我们来详细介绍一下YOLO v3算法内容，v3的算法是在v1和v2的基础上形成的，所以有必要先回忆： 一文看懂YOLO v1，一文看懂YOLO v2。

网络结构

从这儿盗了张图，这张图很好的总结了YOLOV3的结构，让我们对YOLO有更加直观的理解。
DBL:代码中的Darknetconv2d_BN_Leaky，是yolo_v3的基本组件。就是卷积+BN+Leaky relu。
resn：n代表数字，有res1，res2, … ,res8等等，表示这个res_block里含有多少个res_unit。不懂resnet请戳这儿
concat：张量拼接。将darknet中间层和后面的某一层的上采样进行拼接。拼接的操作和残差层add的操作是不一样的，拼接会扩充张量的维度，而add只是直接相加不会导致张量维度的改变。

后面我们一起分析网络一些细节与难懂的地方

backbone：darknet-53

为了达到更好的分类效果，作者自己设计训练了darknet-53。作者在ImageNet上实验发现这个darknet-53，的确很强，相对于ResNet-152和ResNet-101，darknet-53不仅在分类精度上差不多，计算速度还比ResNet-152和ResNet-101强多了，网络层数也比他们少。

Yolo_v3使用了darknet-53的前面的52层（没有全连接层），yolo_v3这个网络是一个全卷积网络，大量使用残差的跳层连接，并且为了降低池化带来的梯度负面效果，作者直接摒弃了POOLing，用conv的stride来实现降采样。在这个网络结构中，使用的是步长为2的卷积来进行降采样。

为了加强算法对小目标检测的精确度，YOLO v3中采用类似FPN的upsample和融合做法（最后融合了3个scale，其他两个scale的大小分别是26×26和52×52），在多个scale的feature map上做检测。

作者在3条预测支路采用的也是全卷积的结构，其中最后一个卷积层的卷积核个数是255，是针对COCO数据集的80类：3*(80+4+1)=255，3表示一个grid cell包含3个bounding box，4表示框的4个坐标信息，1表示objectness score。

output

所谓的多尺度就是来自这3条预测之路，y1,y2和y3的深度都是255，边长的规律是13:26:52。yolo v3设定的是每个网格单元预测3个box，所以每个box需要有(x, y, w, h, confidence)五个基本参数，然后还要有80个类别的概率。所以3×(5 + 80) = 255。这个255就是这么来的。

下面我们具体看看y1,y2,y3是如何而来的。
网络中作者进行了三次检测，分别是在32倍降采样，16倍降采样，8倍降采样时进行检测,这样在多尺度的feature map上检测跟SSD有点像。在网络中使用up-sample（上采样）的原因:网络越深的特征表达效果越好，比如在进行16倍降采样检测，如果直接使用第四次下采样的特征来检测，这样就使用了浅层特征，这样效果一般并不好。如果想使用32倍降采样后的特征，但深层特征的大小太小，因此yolo_v3使用了步长为2的up-sample（上采样），把32倍降采样得到的feature map的大小提升一倍，也就成了16倍降采样后的维度。同理8倍采样也是对16倍降采样的特征进行步长为2的上采样，这样就可以使用深层特征进行detection。

作者通过上采样将深层特征提取，其维度是与将要融合的特征层维度相同的（channel不同）。如下图所示，85层将13×13×256的特征上采样得到26×26×256，再将其与61层的特征拼接起来得到26×26×768。为了得到channel255，还需要进行一系列的3×3，1×1卷积操作，这样既可以提高非线性程度增加泛化性能提高网络精度，又能减少参数提高实时性。52×52×255的特征也是类似的过程。

从图中，我们可以看出y1,y2,y3的由来。

Bounding Box

YOLO v3的Bounding Box由YOLOV2又做出了更好的改进。在yolo_v2和yolo_v3中，都采用了对图像中的object采用k-means聚类。 feature map中的每一个cell都会预测3个边界框（bounding box） ，每个bounding box都会预测三个东西：（1）每个框的位置（4个值，中心坐标tx和ty，，框的高度bh和宽度bw），（2）一个objectness prediction ，（3）N个类别，coco数据集80类，voc20类。

三次检测，每次对应的感受野不同，32倍降采样的感受野最大，适合检测大的目标，所以在输入为416×416时，每个cell的三个anchor box为(116 ,90); (156 ,198); (373 ,326)。16倍适合一般大小的物体，anchor box为(30,61); (62,45); (59,119)。8倍的感受野最小，适合检测小目标，因此anchor box为(10,13); (16,30); (33,23)。所以当输入为416×416时，实际总共有（52×52+26×26+13×13）×3=10647个proposal box。

感受一下9种先验框的尺寸，下图中蓝色框为聚类得到的先验框。黄色框式ground truth，红框是对象中心点所在的网格。

这里注意bounding box 与anchor box的区别：
Bounding box它输出的是框的位置（中心坐标与宽高），confidence以及N个类别。
anchor box只是一个尺度即只有宽高。

LOSS Function

YOLOv3重要改变之一：No more softmaxing the classes。
YOLO v3现在对图像中检测到的对象执行多标签分类。
早期YOLO，作者曾用softmax获取类别得分并用最大得分的标签来表示包含再边界框内的目标，在YOLOv3中，这种做法被修正。

softmax来分类依赖于这样一个前提，即分类是相互独立的，换句话说，如果一个目标属于一种类别，那么它就不能属于另一种。

但是，当我们的数据集中存在人或女人的标签时，上面所提到的前提就是去了意义。这就是作者为什么不用softmax，而用logistic regression来预测每个类别得分并使用一个阈值来对目标进行多标签预测。比阈值高的类别就是这个边界框真正的类别。

用简单一点的语言来说，其实就是对每种类别使用二分类的logistic回归，即你要么是这种类别要么就不是，然后便利所有类别，得到所有类别的得分，然后选取大于阈值的类别就好了。

logistic回归用于对anchor包围的部分进行一个目标性评分(objectness score)，即这块位置是目标的可能性有多大。这一步是在predict之前进行的，可以去掉不必要anchor，可以减少计算量。

如果模板框不是最佳的即使它超过我们设定的阈值，我们还是不会对它进行predict。
不同于faster R-CNN的是，yolo_v3只会对1个prior进行操作，也就是那个最佳prior。而logistic回归就是用来从9个anchor priors中找到objectness score(目标存在可能性得分)最高的那一个。logistic回归就是用曲线对prior相对于 objectness score映射关系的线性建模。

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])
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
class_loss = object_mask * K.binary_crossentropy(true_class_probs, raw_pred[..., 5:], from_logits=True)

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

以上是一段keras框架描述的yolo v3 的loss_function代码。忽略恒定系数不看，可以从上述代码看出：除了w, h的损失函数依然采用总方误差之外，其他部分的损失函数用的是二值交叉熵。最后加到一起。那么这个binary_crossentropy又是个什么玩意儿呢？就是一个最简单的交叉熵而已，一般用于二分类，这里的两种二分类类别可以理解为"对和不对"这两种。

参考文章：
https://towardsdatascience.com/yolo-v3-object-detection-53fb7d3bfe6b
https://blog.csdn.net/yanzi6969/article/details/80505421
https://blog.csdn.net/chandanyan8568/article/details/81089083
https://blog.csdn.net/leviopku/article/details/82660381
https://blog.csdn.net/u014380165/article/details/80202337