神经网络|目标检测算法YOLOv4详解大数据|算法|python|卷积

一句话总结：速度差不多的精度碾压，精度差不多的速度碾压！

YOLOv4是精度速度最优平衡, 各种调优手段是真香，本文主要从以下几个方面进行阐述：

YOLOv4介绍
YOLOv4框架原理
BackBone训练策略
BackBone推理策略
检测头训练策略
检测头推理策略

1.YOLOv4介绍 YOLOV4其实是一个结合了大量前人研究技术，加以组合并进行适当创新的算法，实现了速度和精度的完美平衡。可以说有许多技巧可以提高卷积神经网络(CNN)的准确性，但是某些技巧仅适合在某些模型上运行，或者仅在某些问题上运行，或者仅在小型数据集上运行；我们来码一码这篇文章里作者都用了哪些调优手段：加权残差连接(WRC),跨阶段部分连接(CSP),跨小批量标准化(CmBN),自对抗训练(SAT),Mish激活,马赛克数据增强,CmBN,DropBlock正则化,CIoU Loss等等。经过一系列的堆料，终于实现了目前最优的实验结果：43.5％的AP(在Tesla V100上，MS COCO数据集的实时速度约为65FPS)。

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YOLOv4的贡献如下:

开发了一个高效、强大的目标检测模型。它使每个人都可以使用1080 Ti或2080 TiGPU来训练一个超级快速和准确的目标探测器。
验证了在检测器训练过程中，最先进的Bag-of-Freebies和Bag-of-Specials 的目标检测方法的影响。
修改了最先进的方法，使其更有效，更适合于单GPU训练，包括CBN、PAN、SAM等。

总之一句话：速度差不多的精度碾压; 精度差不多的速度碾压。
YOLOV4论文： https://arxiv.org/pdf/2004.10934.pdf
YOLOV4代码： https://github.com/AlexeyAB/darknet
2.YOLOv4框架原理我们主要从通用框架，CSPDarknet53，SPP结构，PAN结构和检测头YOLOv3出发，来一起学习了解下YOLOv4框架原理。
2.1 目标检测器通用框架
目前检测器通常可以分为以下几个部分，不管是two-stage还是one-stage都可以划分为如下结构，只不过各类目标检测算法设计改进侧重在不同位置：

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如上图，除了输入，一般one-stage的目标检测算法通常由提取特征的backbone，传输到检测网络的Neck部分和负责检测的Head部分。而two-stage的算法通常还包括空间预测部分。网络中常用的模块为：

Input: 图像，图像金字塔等
Backbone: VGG16,Resnet-50,ResNeXt-101,Darknet53,……
Neck: FPN,PANet,Bi-FPN,……
Head: Dense Prediction:RPN,YOLO,SSD,RetinaNet,FCOS,……
Head: Sparse Prediction:Faster RCNN,Fast RCNN,R-CNN,……

而作为one-stage的YOLO网络主要由三个主要组件组成：

Backbone -在不同图像细粒度上聚合并形成图像特征的卷积神经网络。
Neck：一系列混合和组合图像特征的网络层，并将图像特征传递到预测层。
Head：对图像特征进行预测，生成边界框和并预测类别。

这里先直接上YOLOv4的整体原理图(来源网络)如下：

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如上图，整体框架跟我们之前学的YOLOv3很是类似。这里先大致看下，接下来我们将逐步分析各个部分，首先，我们先看特征提取网络Backbone.
2.2 CSPDarknet53
我们前面知道在YOLOv3中，特征提取网络使用的是Darknet53，而在YOLOv4中，对Darknet53做了一点改进，借鉴了CSPNet，CSPNet全称是Cross Stage Partial Networks，也就是跨阶段局部网络。CSPNet解决了其他大型卷积神经网络框架Backbone中网络优化的梯度信息重复问题，将梯度的变化从头到尾地集成到特征图中，因此减少了模型的参数量和FLOPS数值，既保证了推理速度和准确率，又减小了模型尺寸。如下图：

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CSPNet实际上是基于Densnet的思想，复制基础层的特征映射图，通过dense block发送副本到下一个阶段，从而将基础层的特征映射图分离出来。这样可以有效缓解梯度消失问题(通过非常深的网络很难去反推丢失信号) ，支持特征传播，鼓励网络重用特征，从而减少网络参数数量。CSPNet思想可以和ResNet、ResNeXt和DenseNet结合，目前主要有CSPResNext50 和CSPDarknet53两种改造Backbone网络。
考虑到几方面的平衡：输入网络分辨率/卷积层数量/参数数量/输出维度。一个模型的分类效果好不见得其检测效果就好，想要检测效果好需要以下几点：

更大的网络输入分辨率——用于检测小目标
更深的网络层——能够覆盖更大面积的感受野
更多的参数——更好的检测同一图像内不同size的目标

这样最终的CSPDarknet53结构就如下图：

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CSPNet论文： https://arxiv.org/pdf/1911.11929v1.pdf
为了增大感受野，作者还使用了SPP-block，使用PANet代替FPN进行参数聚合以适用于不同level的目标检测。
2.3 SPP结构
SPP-Net结构我们之前也有学过，SPP-Net全称Spatial Pyramid Pooling Networks，当时主要是用来解决不同尺寸的特征图如何进入全连接层的，直接看下图，下图中对任意尺寸的特征图直接进行固定尺寸的池化，来得到固定数量的特征。

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如上图，以3个尺寸的池化为例，对特征图进行一个最大值池化，即一张特征图得取其最大值，得到1*d(d是特征图的维度)个特征；对特征图进行网格划分为2x2的网格，然后对每个网格进行最大值池化，那么得到4*d个特征；同样，对特征图进行网格划分为4x4个网格，对每个网格进行最大值池化，得到16*d个特征。接着将每个池化得到的特征合起来即得到固定长度的特征个数（特征图的维度是固定的），接着就可以输入到全连接层中进行训练网络了。用到这里是为了增加感受野。
2.4 PAN结构
YOLOv4使用PANet(Path Aggregation Network)代替FPN进行参数聚合以适用于不同level的目标检测, PANet论文中融合的时候使用的方法是Addition，YOLOv4算法将融合的方法由加法改为Concatenation。如下图：

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是一种特征图融合方式。
2.5 检测头YOLOv3
对于检测头部分，YOLOv4继续采用YOLOv3算法的检测头，不再赘述。
3.BackBone训练策略这里我们主要从数据增强，DropBlock正则化，类标签平滑方面来学习下BackBone训练策略。
3.1 数据增强

CutMix

YOLOv4选择用CutMix的增强方式，CutMix的处理方式也比较简单，同样也是对一对图片做操作，简单讲就是随机生成一个裁剪框Box,裁剪掉A图的相应位置，然后用B图片相应位置的ROI放到A图中被裁剪的区域形成新的样本，ground truth标签会根据patch的面积按比例进行调整，比如0.6像狗，0.4像猫，计算损失时同样采用加权求和的方式进行求解。这里借CutMix的地方顺带说下几种类似的增强方式：

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上图是CutMix论文中作者对几种增强方式做的对比，结果显而易见，CutMix的增强方式在三个数据集上的表现都是最优的。其中Mixup是直接求和两张图，如同附身，鬼影一样，模型很难学到准确的特征图响应分布。Cutout是直接去除图像的一个区域，这迫使模型在进行分类时不能对特定的特征过于自信。然而，图像的一部分充满了无用的信息，这是一种浪费。在CutMix中，将图像的一部分剪切并粘贴到另一个图像上,使得模型更容易区分异类。
CutMix论文： https://arxiv.org/pdf/1905.04899v2.pdf

Mosaic

Yolov4的Mosaic数据增强是参考CutMix数据增强，理论上类似。区别在于Mosaic是一种将4张训练图像合并成一张进行训练的数据增强方法(而不是CutMix中的2张)。这增强了对正常背景(context)之外的对象的检测，丰富检测物体的背景。此外，每个小批包含一个大的变化图像(4倍)，因此，减少了估计均值和方差的时需要大mini-batch的要求，降低了训练成本。如下图：

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3.2 DropBlock正则化
正则化技术有助于避免数据科学专业人员面临的最常见的问题，即过拟合。对于正则化，已经提出了几种方法，如L1和L2正则化、Dropout、Early Stopping和数据增强。这里YOLOv4用了DropBlock正则化的方法。
DropBlock方法的引入是为了克服Dropout随机丢弃特征的主要缺点，Dropout被证明是全连接网络的有效策略，但在特征空间相关的卷积层中效果不佳。DropBlock技术在称为块的相邻相关区域中丢弃特征。这样既可以实现生成更简单模型的目的，又可以在每次训练迭代中引入学习部分网络权值的概念，对权值矩阵进行补偿，从而减少过拟合。如下图：

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DropBlock论文中作者最终在ImageNet分类任务上，使用Resnet-50结构，将精度提升1.6%个点，在COCO检测任务上，精度提升1.6%个点。
DropBlock论文： https://arxiv.org/pdf/1810.12890.pdf
3.3 类标签平滑
对于分类问题，特别是多分类问题，常常把向量转换成one-hot-vector，而one-hot带来的问题：对于损失函数，我们需要用预测概率去拟合真实概率，而拟合one-hot的真实概率函数会带来两个问题：

无法保证模型的泛化能力，容易造成过拟合；
全概率和0概率鼓励所属类别和其他类别之间的差距尽可能加大，而由梯度有界可知，这种情况很难适应。会造成模型过于相信预测的类别。

对预测有100%的信心可能表明模型是在记忆数据，而不是在学习。标签平滑调整预测的目标上限为一个较低的值，比如0.9。它将使用这个值而不是1.0来计算损失。这个概念缓解了过度拟合。说白了，这个平滑就是一定程度缩小label中min和max的差距，label平滑可以减小过拟合。所以，适当调整label，让两端的极值往中间凑凑，可以增加泛化性能。
4.BackBone推理策略这里主要从Mish激活函数，MiWRC策略方面进行阐述BackBone推理策略。
4.1 Mish激活函数
对激活函数的研究一直没有停止过，ReLU还是统治着深度学习的激活函数，不过，这种情况有可能会被Mish改变。Mish是另一个与ReLU和Swish非常相似的激活函数。正如论文所宣称的那样，Mish可以在不同数据集的许多深度网络中胜过它们。公式如下：

Mish是一个平滑的曲线，平滑的激活函数允许更好的信息深入神经网络，从而得到更好的准确性和泛化；在负值的时候并不是完全截断，允许比较小的负梯度流入。实验中，随着层深的增加，ReLU激活函数精度迅速下降，而Mish激活函数在训练稳定性、平均准确率(1%-2.8%)、峰值准确率(1.2% - 3.6%)等方面都有全面的提高。如下图：

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Mish论文： https://arxiv.org/pdf/1908.08681.pdf
4.2 MiWRC策略
MiWRC是Multi-input weighted residual connections的简称，在BiFPN中，提出了用MiWRC来执行标尺度级重加权，添加不同尺度的特征映射。我们已经讨论了FPN和PAN作为例子。下面的图(d)显示了另一种被称为BiFPN的neck设计，根据BiFPN的论文，该设计具有更好的准确性和效率权衡。

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上图中 (a)FPN引入自顶向下的路径，将多尺度特征从3级融合到7级(P3-P7)；(b)PANET在FPN之上增加一个额外的自下而上的路径；(c)NAS-FPN使用神经网络搜索找到一个不规则的特征拓扑网络，然后重复应用同一块拓扑结构；(d)是这里的BiFPN，具有更好的准确性和效率权衡。将该neck放到整个整个网络的连接中如下图：

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上图采用EfficientNet作为骨干网络，BiFPN作为特征网络，共享class/box预测网络。基于不同的资源约束，BiFPN层和类/盒网层都被重复多次。
BiFPN论文： https://arxiv.org/pdf/1911.09070.pdf
5.检测头训练策略前面介绍BackBone训练策略的时候，以及学习过DropBlock正则化，Mosaic数据增强的方法了，这两种方法在检测头训练的过程中也有用到这里不在赘述。我们一起看下检测头训练中采用的其他策略。
5.1 CIoU-loss
损失函数给出了如何调整权重以降低loss。所以在我们做出错误预测的情况下，我们期望它能给我们指明前进的方向。但如果使用IoU，考虑两个预测都不与ground truth重叠，那么IoU损失函数不能告诉哪一个是更好的，或者哪个更接近ground truth。这里顺带看下常用的几种loss的形式，如下：

经典IoU loss：

IoU算法是使用最广泛的算法，大部分的检测算法都是使用的这个算法。

GIoU：Generalized IoU

GIoU考虑到，当检测框和真实框没有出现重叠的时候IoU的loss都是一样的，因此GIoU就加入了C检测框（C检测框是包含了检测框和真实框的最小矩形框），这样就可以解决检测框和真实框没有重叠的问题。但是当检测框和真实框之间出现包含的现象的时候GIoU就和IoU loss是同样的效果了。
其中，C是指能包含predict box和Ground Truth box的最小box。

DIoU：Distance IoU

DIoU考虑到GIoU的缺点，也是增加了C检测框，将真实框和预测框都包含了进来，但是DIoU计算的不是框之间的交并，而是计算的每个检测框之间的欧氏距离，这样就可以解决GIoU包含出现的问题。
其中是指predict box和GT box中心点的距离的平方，而是指刚好能包含predict box和GT box的最小box的对角线长度平方。

CIoU：Complete IoU

CIoU就是在DIoU的基础上增加了检测框尺度的loss，增加了长和宽的loss，这样预测框就会更加的符合真实框。
实际上，CIOU只是在DIOU基础上增加了一项。其中：
5.2 CmBN策略
BN就是仅仅利用当前迭代时刻信息进行norm，而CBN在计算当前时刻统计量时候会考虑前k个时刻统计量，从而实现扩大batch size操作。同时作者指出CBN操作不会引入比较大的内存开销，训练速度不会影响很多，但是训练时候会慢一些，比GN还慢。
CmBN是CBN的改进版本，其把大batch内部的4个mini batch当做一个整体，对外隔离。CBN在第t时刻，也会考虑前3个时刻的统计量进行汇合，而CmBN操作不会，不再滑动cross,其仅仅在mini batch内部进行汇合操作，保持BN一个batch更新一次可训练参数。

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BN：无论每个batch被分割为多少个mini batch，其算法就是在每个mini batch前向传播后统计当前的BN数据（即每个神经元的期望和方差）并进行Nomalization，BN数据与其他mini batch的数据无关。CBN：每次iteration中的BN数据是其之前n次数据和当前数据的和（对非当前batch统计的数据进行了补偿再参与计算），用该累加值对当前的batch进行Nomalization。好处在于每个batch可以设置较小的size。CmBN：只在每个Batch内部使用CBN的方法，个人理解如果每个Batch被分割为一个mini batch，则其效果与BN一致；若分割为多个mini batch，则与CBN类似，只是把mini batch当作batch进行计算，其区别在于权重更新时间点不同，同一个batch内权重参数一样，因此计算不需要进行补偿。
5.3 自对抗训练(SAT)
SAT为一种新型数据增强方式。在第一阶段，神经网络改变原始图像而不是网络权值。通过这种方式，神经网络对其自身进行一种对抗式的攻击，改变原始图像，制造图像上没有目标的假象。在第二阶段，训练神经网络对修改后的图像进行正常的目标检测。

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Self-Adversarial Training是在一定程度上抵抗对抗攻击的数据增强技术。CNN计算出Loss, 然后通过反向传播改变图片信息，形成图片上没有目标的假象，然后对修改后的图像进行正常的目标检测。需要注意的是在SAT的反向传播的过程中，是不需要改变网络权值的。使用对抗生成可以改善学习的决策边界中的薄弱环节，提高模型的鲁棒性。因此这种数据增强方式被越来越多的对象检测框架运用。
5.4 消除网格敏感度
边界框b的计算方式为：

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对于和的情况，我们需要分别具有很大的负值和正值。但我们可以将与一个比例因子(>1.0)相乘，从而更轻松地实现这一目标。
5.5 单目标使用多Anchor
如果 IoU(ground truth, anchor) > IoU threshold，则为单个基本真值使用多个锚点。（注：作者没有更多地说明该方法在 YOLOv4 中的作用。）
5.6 余弦模拟退火
余弦调度会根据一个余弦函数来调整学习率。首先，较大的学习率会以较慢的速度减小。然后在中途时，学习的减小速度会变快，最后学习率的减小速度又会变得很慢。

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这张图展示了学习率衰减的方式（下图中还应用了学习率预热）及其对mAP的影响。可能看起来并不明显，这种新的调度方法的进展更为稳定，而不是在停滞一段时间后又取得进展。

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余弦模拟退火论文： https://arxiv.org/pdf/1608.03983.pdf
5.7 遗传算法优化超参
关于遗传算法的文章，我们之前也有学过：遗传算法如何模拟大自然的进化？
遗传算法论文： https://arxiv.org/pdf/2004.10934.pdf
5.8 随机形状训练
许多单阶段目标检测器是在固定的输入图像形状下训练的。为了提高泛化效果，我们可以对不同图像大小的模型进行训练。(在YOLO中进行多尺度训练)。
6.检测头推理策略在检测头推理中除了用了上面讲的Mish, SPP, PAN技术外，还用了SAM和DIoU-NMS,如下：
6.1 SAM模块
注意力机制在DL设计中被广泛采用。在SAM中，最大值池化和平均池化分别用于输入feature map，创建两组feature map。结果被输入到一个卷积层，接着是一个Sigmoid函数来创建空间注意力。

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将空间注意掩模应用于输入特征，输出精细的特征图。

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在YOLOv4中，使用修改后的SAM而不应用最大值池化和平均池化。

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在YOLOv4中，FPN概念逐渐被实现/替换为经过修改的SPP、PAN和PAN。
6.2 DIoU-NMS
NMS过滤掉预测相同对象的其他边界框，并保留具有最高可信度的边界框。

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DIoU(前面讨论过的) 被用作非最大值抑制(NMS)的一个因素。该方法在抑制冗余框的同时，采用IoU和两个边界盒中心点之间的距离。这使得它在有遮挡的情况下更加健壮。
7.YOLOv4小结为了提升准确度，可以针对训练过程进行一些优化，比如数据增强、类别不平衡、成本函数、软标注…… 这些改进不会影响推理速度，可被称为「Bag of freebies」。另外还有一些改进可称为「bag of specials」，仅需在推理时间方面做少许牺牲，就能获得优良的性能回报。这类改进包括增大感受野、使用注意力机制、集成跳过连接（skip-connection）或 FPN等特性、使用非极大值抑制等后处理方法。
本文从YOLOv4介绍，YOLOv4框架原理，BackBone训练策略，BackBone推理策略，检测头训练策略，检测头推理策略这几个大方面进行详细的阐述了YOLOv4中所用到的各种策略，希望对大家有所帮助。