?作者 | 小欣

目标检测一直是计算机视觉的热门领域，它也具有丰富的应用场景，从无人驾驶到缺陷检测等等。

在YOLO诞生之前，目标检测领域热门的深度学习模型是R-CNN系列模型，这一类的模型被称之为二阶段模型（two-stage），其大致思路就是先找出可能含有物体的区域，进而再细致的找出这片区域内的物体是什么，在哪个位置。

这一类模型的特点就是准确率较高，但是速度较慢，难以做到实时检测。而这时候，YOLO V1应运而生，它的特点就是速度快，在牺牲部分模型性能的情况下，能做到实时检测。

YOLO直接从图片中去寻找可能存在物体的位置，因此也被称为单阶段模型（one-stage）。

要想透彻了解YOLO系列模型的运行原理，需要从V1版本开始讲起，看作者如何迭代更新，一步步改良YOLO，在这个学习过程中，也能学到很多相关的目标检测知识。

YOLO V1

01 思路

YOLO V1发表在2016年，其作者是Joseph Redmon。YOLO V1的想法很朴素，但也很有效。

简单地说，它将一张图分成个网格，假设，即它将一张图分成了49个网格，不难想象，原图中每个物体的中心都在其中一个网格中。

因此，只需要让每个网格负责预测中心点落在当前网格中的物体。这在训练的时候是很容易办到的，因为我们已知每个物体的坐标。

通过这样的思想，作者构建出了一个端对端、且非常高效的模型，并在其基础上，不断进行改进，提出了后续的V2,V3等。

如下图所示，只需要三步，YOLO就可以得到较好的预测结果。

02 网络设计

接下来我们开始详细介绍YOLO V1的流程。首先，对于任意一张图片，YOLO首先将它resize成448X448大小的尺寸，将其传入CNN模型中，进行提取特征，其具体结构如下图所示，这里假设每个网格都配备两个预测框，也就是每个网格需要预测两个bbox。

内部网络结构类似于VGGNet，比较简单，包含卷积层，下采样层等，直到最后一步，得到一个7X7X1024的特征图。

可以想象，该特征图一个像素，应该包含了原图较大范围内的信息，这时将最后的特征图拉直变成一维向量，通过全连接层将维度依次降为4094，1470维，将最后的1470维的一维向量reshape成7X7X30，即为最后的输出。

我们最后得到的7X7X30输出，是和下图左边的网格图对应的，每一个网格对应一个1X1X30的输出。

这个1X1X30的输出同样有学问，它的前面十个数值对应两个预测框的中心点坐标，长，宽和置信度（x,y,h,w,conf），因为我们前面假设的是一个网格配置两个预测框，所以有10个数值，如果配置更多的话，相应的维度也会增加。

而它的后20个值对应的是类别概率，假设我们这边预测总共有20个类别，但是这样的做法，实际上也是YOLO V1的缺点，因为一个网格它实际上只能预测一个物体，它的类别由输出的后20个通道决定，bbox由前10个通道中的置信度高的bbox决定。

如果输入图是一张有小目标的图像，一个网格有若干个物体，那YOLO V1只能找出网格中的一个，这一点会在后面的版本进行改进。

另外值得一提的是，YOLO中的bbox的格式是（x,y,w,h），也就是给bbox的中心点坐标和长宽，为了方便训练，这四个值都是要做标准化处理，也就是除以原图的尺寸，它们的取值都是在0~1之间。

还需要注意的是，模型给出的输出（x,y）是相对于所在网格左上角坐标的偏移量，它的值在0~1之间，所以我们得到的（x,y）的坐标还要加上网格左上角坐标才是真正的bbox的坐标位置，至于bbox的长宽，也是在0~1之间的，但它们就不是偏移量了，是直接预测得到的，这种方式也被称为anchor-free方法，即不需要预先给定bbox的尺寸。

这一点在R-CNN系列中不是这样的，R-CNN系列中，学到的（x,y,w,h）都是偏移量，它们是由先验框进行指导的，事实上这也是YOLO V2的改进之一，凭空生成的anchor不如有先验知识的anchor准确，这在之后的版本中也进行了改进。

03 损失函数

要想知道YOLO V1是怎么学习的，还需要知道它的损失函数是怎么设计的，了解V1的损失函数，有助于了解后面的YOLO系列。

分别代表网格内有无物体时的示性函数，损失函数的第一项相当于做的是对bbox的中心点坐标的平方误差，容易理解。

而第二项是bbox的长宽，它是相当于做了开根之后在进行计算平方误差，之所以这么做是为了让小目标的物体的长宽预测更准一些，假设长宽的误差是0.1，对大物体来说可能不值一提，但是对于小物体来说，可能这个误差就比较致命了，对于0-1之间的数值做开根运算，得到的数值是会变大的，有助于预测。

第三项和第四项针对的是不同框的置信度，因为YOLO V1中，一个网格只预测一个物体，所以置信度高的被认为含有物体，低的被预测为不含物体。

另外需要注意的是，这两项前面有一个系数

前者取5，后者取0.5，因为我们更关注有物体的bbox，但也不能完全忽视不含物体的bbox；而最后一项是计算当前网格所属类别的，实际上也能使用交叉熵，但是作者为了建立一个统一的框架，采用了回归的计算方法，这样整个损失函数都是回归形式的，更加的和谐统一。

04 置信度介绍

在前面笔者提到了若干次置信度的概念，这一概念直观上给人的感受是可信度或者概率，实际上它包含的信息更丰富，在这里进行具体的讲解。

置信度包含两方面的含义，一个是bbox含有目标的可能性，另一个是这个bbox的准确率，

前者我们将其记为

当边界框包含物体时,

不包含时则为0；

bbox的准确度可以用IOU这一指标进行表示，记为

因此置信度可以定义为

在训练时，对于不含物体的bbox，它们的置信度就0，反之则为1，然后与预测的置信度一起计算loss；

在测试阶段，置信度是直接生成的，可以理解成已知该区域有物体的条件下，是何类别的概率。

05 网络预测

以上介绍了模型的流程，实际上也介绍了它的训练过程，接下来再介绍它的测试流程。

测试流程与训练流程有一些不一样，因为此时我们不知道哪些网格中有物体，对于输出的bbox，我们需要采用NMS的算法删除冗余的bbox，留下正确的bbox。

NMS算法的流程如下：首先从所有的检测框中找到置信度最大的那个框，然后挨个计算其与剩余框的IOU，如果其值大于一定阈值（重合度过高），那么就将该框剔除；然后对剩余的检测框重复上述过程，直到处理完所有的检测框。

我们来介绍它是怎么使用NMS算法的。

因为我们对一个网格要预测两个bbox，所以最后我们能得到个7X7X2=98个bbox。

首先，将这 98个bbox中置信度低的框去掉，然后再根据置信度对剩下的bbox排序，使用NMS算法，把重复度高的框的置信度设为0。

对于留下的框，再根据分类概率得到它们的类别，这里注意得到的框的大小都是相对于原图大小的，都是0-1之间的值，所以输出的时候还需要还原，才能得到真实的bbox的尺寸大小。

06 模型缺点

● 使用全连接层，参数量巨大，而且也因此在检测时，YOLO 训练模型只支持与训练图像相同的输入分辨率。

● 一个网格只能预测一个物体。

● anchor-free的方法没有anchor-based的准确。

● 对小目标物体的检测能力有限，且物体检测的定位准确性较低。

以上其实也是YOLO V2的改进之处。

参考资料

[1] https://zhuanlan.zhihu.com/p/32525231

[2] https://arxiv.org/abs/1506.02640

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