深度学习论文阅读目标检测篇（六）中文版：YOLOv3《 An Incremental Improvement》

摘要1. 引言2. 方案2.1. 边界框预测2.2. Class Prediction 分类预测2.3. Predictions Across Scales 跨尺度预测2.4 Feature Extractor 特征提取器2.5. Training 训练3. How We Do 我们是如何做的4. Things We Tried That Didn’t Work 失败的尝试5. What This All Means YOLOv3 is a good detector 这一切意味着什么

摘要

我们对 YOLO 进行了一系列更新！它包含一堆小设计，可以使 系统的性能得到更新。我们也训练了一个新的、比较大的神经网络。 虽然比上一版更大一些，但是精度也提高了。不用担心，它的速度依 然很快。YOLOv3 在 320×320 输入图像上运行时只需 22ms，并能达 到 28.2mAP，其精度和 SSD 相当，但速度要快上 3 倍。使用之前 0.5 IOU mAP 的检测指标，YOLOv3 的效果是相当不错。YOLOv3 使用 Titan X GPU，其耗时 51ms 检测精度达到 57.9 AP50，与 RetinaNet 相 比，其精度只有 57.5 AP50，但却耗时 198ms，相同性能的条件下 YOLOv3 速度比 RetinaNet 快 3.8 倍。与之前一样，所有代码在网址。

1. 引言

有时候，一年内你主要都在玩手机，你知道吗？今年我没有做很 多研究。我在 Twitter 上花了很多时间。研究了一下 GAN。去年我留 下了一点点的精力[12] [1]；我设法对 YOLO 进行了一些改进。但是， 实话实说，除了仅仅一些小的改变使得它变得更好之外，没有什么超 级有趣的事情。我也稍微帮助了其他人的一些研究。

其实，这就是今天我要讲的内容。我们有一篇论文快截稿了，并 且我们还缺一篇关于 YOLO 更新内容的文章作为引用，但是我们没 有引用来源。因此准备写一篇技术报告！**

技术报告的好处是他们不需要引言，你们都知道我为什么写这个。 所以引言的结尾可以作为阅读本文剩余内容的一个指引。首先我们会 告诉你 YOLOv3 的方案。其次我们会告诉你我们是如何实现的。我 们也会告诉你我们尝试过但并不奏效的一些事情。最后我们将探讨这 些的意义。

2. 方案

这节主要介绍 YOLOv3 的方案：我们主要从其他人的研究工作里获得了一些好思路、好想法。我们还训练了一个新的、比其他网络更好的分类网络。为了方便您理解，我们将带您从头到尾贯穿整个模型系统。

图 1.这个图来自 Focal Loss 论文[9]。YOLOv3 的运行速度明显快于其他具有可比性能的检测方法。检测时间基于 M40 或 Titan X（这两个基本上是相同的 GPU）。

2.1. 边界框预测

按照 YOLO9000，我们的系统也使用维度聚类得到的 anchor 框 来预测边界框[15]。网络为每个边界框预测的 4 个坐标：tx、ty、tw、 th。假设格子距离图像的左上角偏移量为（cx，cy），先验边界框宽 度和高度分别为：pw、ph，则预测结果对应为：

训练时我们使用误差平方和损失。如果某个预测坐标的真值是 t*，那么梯度就是真值（从真值框计算而得）和预测值之差：t-t。 真实值可以很容易地通过变换上述公式得到。

YOLOv3 使用逻辑回归预测每个边界框是目标的分数。如果真实 标签框与某个边界框重叠的面积比与其他任何边界框都大，那么这个 先验边界框得分为 1。按照[17]的做法，如果先验边界框不是最好的， 但是确实与目标的真实标签框重叠的面积大于阈值，我们就会忽略这 个预测。我们使用阈值为 0.5。与[17]不同，我们的系统只为每个真实 目标分配一个边界框。如果先验边界框未分配到真实目标，则不会产 生坐标或类别预测的损失，只会产生是否是目标的损失。

2.2. Class Prediction 分类预测

每个边界框都会使用多标签分类来预测框中可能包含的类。我们 不用 softmax，而是用单独的逻辑分类器，因为我们发现前者对于提 升网络性能没什么作用。在训练过程中，我们用 binary cross-entropy （二元交叉熵）损失来预测类别。

当我们转向更复杂的领域，例如 Open Images Dataset [7]，上面的 这种改变将变得很有用。这个数据集中有许多重叠的标签（例如女性 和人）。使用 softmax 会强加这样一个假设——即每个框恰好只有一 个类别，但通常情况并非如此。多标签的方式可以更好地模拟数据。

2.3. Predictions Across Scales 跨尺度预测

YOLOv3 预测 3 种不同尺度的框。我们的系统使用类似特征金字 塔网络的相似概念，并从这些尺度中提取特征[8]。在我们的基础特征 提取器上添加了几个卷积层。其中最后一个卷积层预测了一个编码边 界框、是否是目标和类别预测结果的三维张量。在我们的 COCO 实 验[8]中，我们为每个尺度预测 3 个框，所以对于每个边界框的 4 个偏 移量、1 个目标预测和 80 个类别预测，最终的张量大小为 N×N×[3 ×(4+1+80)]。

接下来，我们从前面的2个层中取得特征图，并将其上采样 2倍。 我们还从网络中的较前的层中获取特征图，并将其与我们的上采样特 征图进行拼接。这种方法使我们能够从上采样的特征图中获得更有意 义的语义信息，同时可以从更前的层中获取更细粒度的信息。然后， 我们添加几个卷积层来处理这个特征映射组合，并最终预测出一个相 似的、大小是原先两倍的张量。

我们再次使用相同的设计来预测最终尺寸的边界框。因此，第三 个尺寸的预测将既能从所有先前的计算，又能从网络前面的层中的细 粒度的特征中获益。

我们仍然使用 k-means 聚类来确定我们的先验边界框。我们只是 选择了 9 个类和 3 个尺度，然后在所有尺度上将聚类均匀地分开。在 COCO 数据集上，9 个聚类分别为(10×13)、(16×30)、(33×23)、(30 ×61)、(62×45)、(59×119)、(116 × 90)、(156 × 198)、(373 × 326)。

2.4 Feature Extractor 特征提取器

我们使用一个新的网络来进行特征提取。我们的新网络融合了 YOLOv2、Darknet-19 和新发明的残差网络的思想。我们的网络使用 连续的 3×3 和 1×1 卷积层，而且现在多了一些快捷连接（shortcut connetction），而且规模更大。它有 53 个卷积层，所以我们称之为… Darknet-53！

这个新网络比 Darknet-19 功能强大很多，并且仍然比 ResNet-101 或 ResNet-152 更高效。以下是一些 ImageNet 上的结果：

每个网络都使用相同的设置进行训练，并在 256×256 的图像上进 行单精度测试。运行时间是在Titan X上用256×256图像进行测量的。 因此，Darknet-53 可与最先进的分类器相媲美，但浮点运算更少，速 度更快。Darknet-53 比 ResNet-101 更好，且速度快 1.5 倍。Darknet53 与 ResNet-152 相比性能差不多，但速度快比其 2 倍。

Darknet-53 也实现了最高的每秒浮点运算测量。这意味着网络结 构可以更好地利用 GPU，使它的评测更加高效、更快。这主要是因为 ResNets 的层数太多，效率不高。

2.5. Training 训练

我们仍然在完整的图像上进行训练，没有使用难负样本挖掘 （hard negative mining）或其他类似的方法。我们使用多尺度训练， 使用大量的数据增强、批量标准化等标准的操作。我们使用 Darknet 神经网络框架进行训练和测试[12]。

3. How We Do 我们是如何做的

YOLOv3 表现非常好！请看表 3。就 COCO 的平均 AP 指标而言， 它与 SSD 类的模型相当，但速度提高了 3 倍。尽管如此，它仍然在 这个指标上比像 RetinaNet 这样的其他模型差些。

然而，当我们使用“旧的”检测指标——在 IOU=0.5 的 mAP（或 图表中的 AP50）时，YOLOv3 非常强大。其性能几乎与 RetinaNet 相 当，并且远强于 SSD。这表明 YOLOv3 是一个非常强大的检测器， 擅长为目标生成恰当的框。然而，随着 IOU 阈值增加，性能显著下 降，这表明 YOLOv3 预测的边界框与目标不能完美对齐。

之前的 YOLO 不擅长检测小物体。但是，现在我们看到了这种 趋势的逆转。随着新的多尺度预测，我们看到 YOLOv3 具有相对较 高的 APS 性能。但是，它在中等和更大尺寸的物体上的表现相对较 差。需要更多的研究来深入了解这一点。

当我们在 AP50指标上绘制准确度和速度关系图时（见图 3），我 们看到 YOLOv3 与其他检测系统相比具有显着的优势。也就是说， 速度更快、性能更好。

4. Things We Tried That Didn’t Work 失败的尝试

我们在研究 YOLOv3 时尝试了很多东西，但很多都不起作用。 下面是我们要记住的血的教训。

Anchor 框的 x、y 偏移预测。我们尝试使用常规的 Anchor 框预 测机制，比如利用线性激活将坐标 x、y 的偏移程度预测为边界框宽 度或高度的倍数。但我们发现这种方法降低了模型的稳定性，并且效 果不佳。

用线性激活代替逻辑激活函数进行 x、y 预测。我们尝试使用线 性激活代替逻辑激活来直接预测 x、y 偏移。这个改变导致 MAP 下降 了几个点。

我们尝试使用focal loss。它使得 mAP 下降 2 个点。 YOLOv3 可能已经对 focal loss 试图解决的问题具有鲁棒性，因为它 具有单独的目标预测和条件类别预测。因此，对于大多数样本来说， 类别预测没有损失？或者有一些？我们并不完全确定。

双 IOU 阈值和真值分配。Faster R-CNN 在训练期间使用两个 IOU 阈值。如果一个预测与真实标签框重叠超过 0.7，它就是一个正样本， 若重叠为[0.3，0.7]之间，那么它会被忽略，若它与所有的真实标签框 的 IOU 小于 0.3，那么一个负样本。我们尝试了类似的策略，但无法 取得好的结果。我们非常喜欢目前的更新，它似乎至少在局部达到了最佳。有些 方法可能最终会产生好的结果，也许他们只是需要一些调整来稳定训 练。

5. What This All Means YOLOv3 is a good detector 这一切意味着什么

YOLOv3 是一个很好的检测器。速度很快、很准确。它在 COCO 平均 AP 介于 0.5 和 0.95 IOU 之间的指标的上并不理想。但是，对于 旧的 0.5 IOU 检测指标上效果非常好。

为什么我们要改变指标？COCO 的原论文只是有这样一句含糊 不清的句子：“一旦评估服务器完成，就会生成全面评测指标”。 Russakovsky 等人的报告说，人们很难区分 0.3 和 0.5 的 IOU。“训练 人类用视觉检查 0.3 IOU 的边界框，并且与 0.5 IOU 的框区别开来是 非常困难的。“[16]如果人类很难说出差异，那么它也没有多重要吧？但是也许更好的问题是：“现在我们有了这些检测器，我们要做 什么？”很多做关于这方面的研究的人都受聘于 Google 和 Facebook。 我想至少我们知道这项技术在好人的手中，绝对不会被用来收集您的 个人信息并将其出售给…等等，您是说这正是它的用途？

其他花大钱资助视觉研究的人还有军方，他们从来没有做过任何 可怕的事情，例如用新技术杀死很多人，等等…（脚注：作者由 the Office of Naval Research and Google 资助支持。）

我强烈地希望，大多数使用计算机视觉的人都用它来做一些快乐 且有益的事情，比如计算一个国家公园里斑马的数量[11]，或者追踪 在附近徘徊的猫[17]。但是计算机视觉已经有很多可疑的用途，作为 研究人员，我们有责任考虑我们的工作可能造成的损害，并思考如何 减轻它的影响。我们欠这个世界太多。 In closing, do not@me. (Because I finally quit Twitter). 最后，不要再@我了。（因为哥已经退出 Twitter 这个是非之地 了）。