Yolov5理論學(xué)習(xí)筆記

算法創(chuàng)新分為三種方式
第一種：面目一新的創(chuàng)新，比如Yolov1、Faster-RCNN、Centernet等，開創(chuàng)出新的算法領(lǐng)域，不過這種也是最難的。
第二種：守正出奇的創(chuàng)新，比如將圖像金字塔改進(jìn)為特征金字塔。
第三種：各種先進(jìn)算法集成的創(chuàng)新，比如不同領(lǐng)域發(fā)表的最新論文的tricks，集成到自己的算法中，卻發(fā)現(xiàn)有出乎意料的改進(jìn)。

對象檢測網(wǎng)絡(luò)的通用架構(gòu)：

1）Backbone -形成圖像特征。
2）Neck：對圖像特征進(jìn)行混合和組合，生成特征金字塔
3）Head：對圖像特征進(jìn)行預(yù)測，應(yīng)用錨定框，生成帶有類概率、對象得分和邊界框的最終輸出向量。

【Yolov5網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖】
可視化結(jié)構(gòu)圖：

不同網(wǎng)絡(luò)的寬度：
V5x: 367MB，V5l: 192MB，V5m: 84MB，V5s: 27MB，YOLOV4: 245 MB

四種Yolov5結(jié)構(gòu)在不同階段的卷積核的數(shù)量都是不一樣的，因此直接影響卷積后特征圖的第三維度
Yolov5s第一個Focus結(jié)構(gòu)中：最后卷積操作時，卷積核的數(shù)量是32個，特征圖的大小變成304×304×32。
而Yolov5m：卷積操作使用了48個卷積核，特征圖變成304×304×48。
…后面卷積下采樣操作也是同樣的原理

不同網(wǎng)絡(luò)的深度：

四種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中每個CSP結(jié)構(gòu)的深度都是不同的
CSP1結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于Backbone中：
Yolov5s的CSP1：使用了1個殘差組件，CSP1_1。
Yolov5m：使用了2個殘差組件，CSP1_2。
Yolov5l，使用了3個殘差組件，
Yolov5x，使用了4個殘差組件。

主要的不同點：
（1）輸入端：Mosaic數(shù)據(jù)增強(qiáng)、自適應(yīng)錨框計算、自適應(yīng)圖片縮放
（2）Backbone：Focus結(jié)構(gòu)，CSP結(jié)構(gòu)
（3）Neck：FPN+PAN結(jié)構(gòu)
（4）Prediction：GIOU_Loss

【輸入端】
①數(shù)據(jù)增強(qiáng)：
Mosaic數(shù)據(jù)增強(qiáng)
②自適應(yīng)錨定框Auto Learning Bounding Box Anchors
網(wǎng)絡(luò)在初始錨框的基礎(chǔ)上 基于訓(xùn)練數(shù)據(jù) 輸出預(yù)測框，因此初始錨框也是比較重要的一部分。見配置文件*.yaml， yolov5預(yù)設(shè)了COCO數(shù)據(jù)集640×640圖像大小的錨定框的尺寸:

每次訓(xùn)練時，自適應(yīng)的計算不同訓(xùn)練集中的最佳錨框值。如果覺得計算的錨框效果不是很好，也可以在代碼中將自動計算錨框功能關(guān)閉。具體操作為train.py中下面一行代碼，設(shè)置成False

③自適應(yīng)圖片縮放
在常用的目標(biāo)檢測算法中，一般將原始圖片統(tǒng)一縮放到一個標(biāo)準(zhǔn)尺寸，再送入檢測網(wǎng)絡(luò)中。Yolo算法中常用416416，608608等尺寸。因為填充的比較多，會存在信息冗余，所以yolov5對原始圖像自適應(yīng)的添加最少的黑邊。
【Backbone】
①Focus結(jié)構(gòu)

以Yolov5s的結(jié)構(gòu)為例，原始608x608x3的圖像輸入Focus結(jié)構(gòu)，采用切片操作，先變成304x304x12的特征圖，再經(jīng)過一次32個卷積核的卷積操作，最終變成304x304x32的特征圖。

②CSP結(jié)構(gòu)
作者認(rèn)為推理計算過高的問題是由于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的梯度信息重復(fù)致,CSPNet(Cross Stage Paritial Network, 跨階段局部網(wǎng)絡(luò))，主要從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度解決推理中計算量很大的問題。
Yolov5中設(shè)計了兩種CSP結(jié)構(gòu)，以Yolov5s網(wǎng)絡(luò)為例，CSP1_X結(jié)構(gòu)應(yīng)用于Backbone主干網(wǎng)絡(luò)，另一種CSP2_X結(jié)構(gòu)則應(yīng)用于Neck中。

【Neck】
FPN+PAN，網(wǎng)絡(luò)特征融合的能力更強(qiáng)

PAN（路徑聚合網(wǎng)絡(luò)）借鑒了圖像分割領(lǐng)域PANet的創(chuàng)新點
該作者認(rèn)為在對象檢測中，特征融合層的性能非常重要，根據(jù)谷歌大腦的研究，[BiFPN]才是特征融合層的最佳選擇。誰能整合這項技術(shù)，很有可能取得性能大幅超越。

【輸出端】
①Activation Function
在 YOLO V5中，中間/隱藏層使用了 Leaky ReLU 激活函數(shù)，最后的檢測層使用了 Sigmoid 形激活函數(shù)
②nms非極大值抑制
在同樣的參數(shù)情況下，將nms中IOU修改成DIOU_nms。對于一些遮擋重疊的目標(biāo)，會有一些改進(jìn)。
③Optimization Function
YOLO V5的作者為我們提供了兩個優(yōu)化函數(shù)Adam和SGD，并都預(yù)設(shè)了與之匹配的訓(xùn)練超參數(shù)。默認(rèn)為SGD。
④Cost Function
loss = objectness score+class probability score+ bounding box regression score
YOLO V5使用 GIOU Loss作為bounding box的損失。
YOLO V5使用二進(jìn)制交叉熵和 Logits 損失函數(shù)計算類概率和目標(biāo)得分的損失。同時我們也可以使用fl _ gamma參數(shù)來激活Focal loss計算損失函數(shù)。

參考文獻(xiàn):