『论文笔记』Yolo v4

https://zhuanlan.zhihu.com/p/144059763

Yolo V3

上图三个蓝色方框内表示Yolov3的三个基本组件：

1. CBL：Yolov3网络结构中的最小组件，由Conv+Bn+Leaky_relu激活函数三者组成。
2. Res unit：借鉴Resnet网络中的残差结构，让网络可以构建的更深。
3. ResX：由一个CBL和X个残差组件构成，是Yolov3中的大组件。每个Res模块前面的CBL都起到下采样的作用，因此经过5次Res模块后，得到的特征图是608->304->152->76->38->19大小。

Backbone

卷积层的数量：

每个ResX中包含1+2*X个卷积层，因此整个主干网络Backbone中一共包含1+（1+2*1）+（1+2*2）+（1+2*8）+（1+2*8）+（1+2*4）=52，再加上一个FC全连接层，即可以组成一个Darknet53分类网络。不过在目标检测Yolov3中，去掉FC层，不过为了方便称呼，仍然把Yolov3的主干网络叫做Darknet53结构。

yolo v3输出了3个不同尺度的feature map，这也是v3论文中提到的为数不多的改进点：predictions across scales，这个借鉴了FPN(feature pyramid networks)，采用多尺度来对不同size的目标进行检测，越精细的grid cell就可以检测出越精细的物体，y1,y2和y3的深度都是255，边长的规律是13:26:52

Anchor相关

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。

对于v3而言，在prior这里的处理有明确解释：选用的b-box priors 的k=9（3*3），对于tiny-yolo的话，k=6（2*3）。priors都是在数据集上聚类得来的，有确定的数值，如下:

10,13, 16,30, 33,23, 30,61, 62,45, 59,119, 116,90, 156,198, 373,326

每个anchor prior(名字叫anchor prior，但并不是用anchor机制)就是两个数字组成的，一个代表高度另一个代表宽度。

对于训练图片中的ground truth，若其中心点落在某个cell内，那么该cell内的3个anchor box负责预测它，具体是哪个anchor box预测它，需要在训练中确定，即由那个与ground truth的IOU最大的anchor box预测它，而剩余的2个anchor box不与该ground truth匹配。YOLOv3需要假定每个cell至多含有一个grounth truth，而在实际上基本不会出现多于1个的情况。可见每个ground truth只分配一个anchor prior，以减小计算量。同时作者使用了logistic回归来对每个anchor包围的内容进行了一个目标性评分(objectness score)，根据目标性评分来选择anchor prior进行predict（不是所有anchor prior都会有输出），但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。

Yolo V4

 

 多了CSP结构，PAN结构

先整理下Yolov4的五个基本组件：

1. CBM：Yolov4网络结构中的最小组件，由Conv+Bn+Mish激活函数三者组成。
2. CBL：由Conv+Bn+Leaky_relu激活函数三者组成。
3. Res unit：借鉴Resnet网络中的残差结构，让网络可以构建的更深。
4. CSPX：借鉴CSPNet网络结构，由卷积层和X个Res unint模块Concate组成。
5. SPP：采用1×1，5×5，9×9，13×13的最大池化的方式，进行多尺度融合。

Backbone卷积层的数量：

每个CSPX中包含5+2*X个卷积层，因此整个主干网络Backbone中一共包含1+（5+2*1）+（5+2*2）+（5+2*8）+（5+2*8）+（5+2*4）=72。

创新点

Mosaic数据增强：参考2019年的Cutouthttps://arxiv.org/abs/1905.04899v2

CSPDarknet：参考2019年的CSPNethttps://arxiv.org/pdf/1911.11929.pdf

Mish激活函数：参考2019年的https://arxiv.org/abs/1908.08681

Dropblock：参考2018年的https://arxiv.org/pdf/1810.12890.pdf

SPP：参考2019年的《DC-SPP-Yolo》https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1903/1903.08589.pdf

PAN：参考2018年的PANethttps://arxiv.org/abs/1803.01534

CIOU_loss：参考2020年的https://arxiv.org/pdf/1911.0828

算法创新分为三种方式：

1. 第一种：面目一新的创新，比如Yolov1、Faster-RCNN、Centernet等，开创出新的算法领域，不过这种也是最难的
2. 第二种：守正出奇的创新，比如将图像金字塔改进为特征金字塔
3. 第三种：各种先进算法集成的创新，比如不同领域发表的最新论文的tricks，集成到自己的算法中，却发现有出乎意料的改进

Yolov4既有第二种也有第三种创新，组合尝试了大量深度学习领域最新论文的20多项研究成果，

Yolov4的整体结构拆分成四大板块：

大白主要从以上4个部分对YoloV4的创新之处进行讲解，让大家一目了然。

1. 输入端：这里指的创新主要是训练时对输入端的改进，主要包括Mosaic数据增强、cmBN、SAT自对抗训练
2. BackBone主干网络：将各种新的方式结合起来，包括：CSPDarknet53、Mish激活函数、Dropblock
3. Neck：目标检测网络在BackBone和最后的输出层之间往往会插入一些层，比如Yolov4中的SPP模块、FPN+PAN结构
4. Prediction：输出层的锚框机制和Yolov3相同，主要改进的是训练时的损失函数CIOU_Loss，以及预测框筛选的nms变为DIOU_nms

总体来说，Yolov4对Yolov3的各个部分都进行了改进优化，下面丢上作者的算法对比图。

1）Mosaic数据增强

Yolov4中使用的Mosaic是参考2019年底提出的CutMix数据增强的方式，但CutMix只使用了两张图片进行拼接，而Mosaic数据增强则采用了4张图片，随机缩放、随机裁剪、随机排布的方式进行拼接。

这里首先要了解为什么要进行Mosaic数据增强呢？

在平时项目训练时，小目标的AP一般比中目标和大目标低很多。而Coco数据集中也包含大量的小目标，但比较麻烦的是小目标的分布并不均匀。

首先看下小、中、大目标的定义： 2019年发布的论文《Augmentation for small object detection》对此进行了区分：

可以看到小目标的定义是目标框的长宽0×0~32×32之间的物体。

但在整体的数据集中，小、中、大目标的占比并不均衡。 如上表所示，Coco数据集中小目标占比达到41.4%，数量比中目标和大目标都要多。

但在所有的训练集图片中，只有52.3%的图片有小目标，而中目标和大目标的分布相对来说更加均匀一些。

针对这种状况，Yolov4的作者采用了Mosaic数据增强的方式。

主要有几个优点：

1. 丰富数据集：随机使用4张图片，随机缩放，再随机分布进行拼接，大大丰富了检测数据集，特别是随机缩放增加了很多小目标，让网络的鲁棒性更好。
2. 减少GPU：可能会有人说，随机缩放，普通的数据增强也可以做，但作者考虑到很多人可能只有一个GPU，因此Mosaic增强训练时，可以直接计算4张图片的数据，使得Mini-batch大小并不需要很大，一个GPU就可以达到比较好的效果。

此外，发现另一研究者的训练方式也值得借鉴，采用的数据增强和Mosaic比较类似，也是使用4张图片（不是随机分布），但训练计算loss时，采用“缺啥补啥”的思路：

如果上一个iteration中，小物体产生的loss不足（比如小于某一个阈值），则下一个iteration就用拼接图；否则就用正常图片训练，也很有意思。

参考链接：https://www.zhihu.com/question/3901