【YOLO家族】Scaled-YOLOv4， Optimal Speed and Accuracy of Object Detection，CVPR 2021

资源

论文题目《YOLOv4: Optimal Speed and Accuracy of Object Detection》
论文地址：https://arxiv.org/abs/2004.10934
论文代码：https://github.com/AlexeyAB/darknet
作者：AlexeyAB
论文链接：https://arxiv.org/pdf/2004.10934.pdf
代码链接：https://github.com/AlexeyAB/darknet

地位

Paper Scaled-YOLOv4 (CVPR 2021): https://openaccess.thecvf.com/content/CVPR2021/html/Wang_Scaled-YOLOv4_Scaling_Cross_Stage_Partial_Network_CVPR_2021_paper.html

source code Scaled-YOLOv4 - Pytorch (use to reproduce results): https://github.com/WongKinYiu/ScaledYOLOv4

YOLOv4 拥有43.5%mAP+65FPS ，达到了精度速度最优平衡

背景

偶然发现，csp的yolov4 的检测性能还挺好，激发了兴趣。

文章目录

资源
地位
背景
1 先看论文
- 1.1 BoF指的是
- 1.2 BoS指的是
2 再总结
- 2.1 YOLOv4中的backbone——CSP-DarkNet
- - 2.1.1 Mish激活函数
  - - 2.1.1.1 softplus 激活函数
  - 定义
  - - 2.1.1.2 Mish激活函数
  - 2.1.2 CSP结构和DarkNet
  - - 2.1.2.1 CSP 结构
    - 2.1.2.2 CSPDarknet53 结构
    - 2.1.2.2 CSPDarknet53 复现
  - 2.1.3 YOLOv4 同时出现 CSP 和 Mish 并协同工作
- 2.2 YOLOv4中的数据增强
- - 2.2.1 数据增强Mosaic
  - - 2.2.1.1【数据增强Mosaic】
    - 2.2.1.3【SAT自对抗训练】
    - 2.2.1.3【cmBN】
    - 2.2.1.4 [Label Smoothing]
- 2.3 Dropblock 的采用（可以作用在任何卷积层）
- - 2.3.1 dropout 方案
  - 2.3.2 dropblock 方案
  - 2.3.3 对比
- 2.4 SPP、 FPN+PAN以及SAM方案
- - 2.4.1 SPP
  - 2.4.2 PAN
  - 2.4.3 【SAM】
- 2.5 Head头
- - 2.5.1【loss创新】
  - 2.5.2【NMS创新】
  - 2.5.3【SOFT-NMS】
再看代码
- yolov4 以及转换到tensorrt （cuda），不依赖tensorrt更好
参考

1 先看论文

Bag of Freebies(免费包)和Bag-of-Specials(特赠包)

Bag of Freebies：指的是那些不增加模型复杂度，也不增加推理的计算量的训练方法技巧，来提高模型的准确度

Bag-of-Specials：指的是那些增加少许模型复杂度或计算量的训练技巧，但可以显著提高模型的准确度

1.1 BoF指的是

1）数据增强：图像几何变换（随机缩放，裁剪，旋转），Cutmix，Mosaic等
2）网络正则化：Dropout,Dropblock等
3）损失函数的设计：边界框回归的损失函数的改进 CIOU

1.2 BoS指的是

1）增大模型感受野：SPP、ASPP等
2）引入注意力机制：SE、SAM
3）特征集成：PAN，BiFPN
4）激活函数改进：Swish、Mish
5）后处理方法改进：soft NMS、DIoU NMS

YOLO_v4主要就是利用这两个包，修改了最先进的方法，并且使其更为有效。当然，还运用到了CBN，PAN， SAM等方法，从而使得 YOLO-v4 能够在一块 GPU 上就可以训练起来。

2 再总结

YOLOv4在使用YOLO Loss的基础上，使用了新的backbone，并且集成了很多新的优化方法及模型策略，如Mosaic，PANet，CmBN，SAT训练，CIoU loss，Mish激活函数，label smoothing等等。可谓集SoAT之大成，也实现了很好的检测精度和速度。

2.1 YOLOv4中的backbone——CSP-DarkNet

主要讨论YOLOv4中的backbone——CSP-DarkNet，以及其实现的所必需的Mish激活函数，CSP结构和DarkNet。

2.1.1 Mish激活函数

参考
激活函数是为了提高网络的学习能力，提升梯度的传递效率。CNN常用的激活函数也在不断地发展，早期网络常用的有ReLU，LeakyReLU，softplus等，后来又有了Swish，Mish等。Mish激活函数的计算复杂度比ReLU要高不少，如果你的计算资源不是很够，可以考虑使用LeakyReLU代替Mish。在介绍之前，需要先了解softplus和tanh函数。

2.1.1.1 softplus 激活函数

Softplus激活函数是一种在神经网络中广泛使用的非线性激活函数，它的定义和特性如下：

定义

Softplus激活函数定义为：
$\text{softplus}(x) = \log(1 + e^x)$

这个函数可以看作是ReLU（Rectified Linear Unit，修正线性单元）函数的平滑版本。ReLU函数在输入小于等于0时输出为0，而Softplus函数在所有输入下都输出非负值，且在x小于等于0时也能产生非零的输出，这使得Softplus函数更加平滑。

优点：

平滑性：Softplus函数在输入值较大或较小时，其导数不会接近于零，从而避免了梯度消失的问题。
可微性：Softplus函数在整个实数范围内都是可微的，这使得它在训练神经网络时更加稳定。

缺点：

计算量大：由于Softplus函数包含自然对数和指数运算，计算量相对较大，可能会影响训练速度。
输出范围有限：Softplus函数的输出范围在(0, +∞)，这可能在某些需要全范围输出的应用中不适用。

Softplus激活函数适用于以下场景：

隐藏层激活函数：在神经网络的隐藏层中使用Softplus函数，可以避免梯度消失问题，从而提高模型的训练效果。
需要平滑过渡的场景：由于Softplus函数的平滑性质，它在需要平滑过渡的场景中表现良好，例如图像处理、自然语言处理等任务。

为了求Softplus函数的导数，我们需要对Softplus函数的定义式进行求导。

Softplus函数的定义是：

$\text{softplus}(x) = \log(1 + e^x)$

利用链式法则和对数函数、指数函数的导数知识，我们可以对Softplus函数进行求导。

首先，令 $u = 1 + e^x$ ，则 $\text{softplus}(x) = \log(u)$ 。

对 $u$ 求导，得到：

$\frac{du}{dx} = \frac{d}{dx}(1 + e^x) = 0 + e^x = e^x$

然后，对 $\log(u)$ 求导，得到：

$\frac{d}{du}(\log(u)) = \frac{1}{u}$

最后，利用链式法则，将两者结合起来，得到Softplus函数的导数：

$\frac{d}{dx}(\text{softplus}(x)) = \frac{d}{dx}(\log(1 + e^x)) = \frac{1}{1 + e^x} \cdot \frac{d}{dx}(1 + e^x) = \frac{1}{1 + e^x} \cdot e^x$

进一步化简，得到：

$\frac{d}{dx}(\text{softplus}(x)) = \frac{e^x}{1 + e^x}$

这个导数表达式展示了Softplus函数在任意点 $x$ 上的斜率，它总是正的，并且随着 $x$ 的增大而趋近于1（因为 $e^x$ 在 $x$ 趋于正无穷时远大于1）。

在这里插入图片描述
上图是其输出曲线，softplus和ReLU的曲线具有相似性，但是其比ReLU更为平滑。

2.1.1.2 Mish激活函数

Mish（2019）激活函数，论文地址：https://arxiv.org/abs/1908.08681

首先，我们来明确tanh（双曲正切）函数的公式。tanh函数是神经网络中常用的一种激活函数，它的数学表达式为：

$\tanh(x) = \frac{e^x - e^{-x}}{e^x + e^{-x}}$

这个函数将任意实数映射到区间 $(- 1, 1)$ 内，并且它是关于原点对称的。

接下来，我们来看Mish激活函数的公式。Mish激活函数是一种相对较新的激活函数，它在某些任务上表现出了比ReLU及其变体更好的性能。Mish函数的数学表达式为：

$\text{Mish}(x) = x \cdot \tanh(\ln(1 + e^x))$

或者，更常见地，由于 $ln(1 + e^x)$ 可以重写为 $\text{softplus}(x)$ （即Softplus函数的输出），因此Mish函数也可以表示为：

$\text{Mish}(x) = x \cdot \tanh(\text{softplus}(x))$

这里， $\text{softplus}(x) = \log(1 + e^x)$ ，是一个平滑的、非负的激活函数，它在所有输入上都产生非负输出，并且当输入趋于负无穷时，输出渐近地趋近于0。

综上所述，tanh和Mish激活函数都是神经网络中用于增加非线性的重要工具，但它们具有不同的数学表达式和特性。

在这里插入图片描述

和Leaky_relu激活函数的图形对比如下：
在这里插入图片描述

从图中可以看出该激活函数，在负值时并不是完全截断，而允许比较小的负梯度流入从而保证了信息的流动（因为梯度为负值时，作为relu激活函数，大多数神经元没有更新）

mish激活函数无边界，这让他避免了饱和（有下界，无上界）且每一点连续平滑且非单调性，从而使得梯度下降更好。

2.1.2 CSP结构和DarkNet

CSP和DarkNet的结构

2.1.2.1 CSP 结构

【CSP论文的笔记】CSP论文中的思路，我开始认为的CSP结构应该是这样的——特征输入之后，通过一个比例将其分为两个部分（CSPNet中是二等份），然后再分别输入block结构，以及后面的Partial transition处理。这样符合CSPNet论文中的理论思路。
实际的结构在输入后没有按照通道划分成两个部分，而是直接用两路的1x1卷积将输入特征进行变换。可以理解的是，将全部的输入特征利用两路1x1进行transition，比直接划分通道能够进一步提高特征的重用性，并且在输入到resiudal block之前也确实通道减半，减少了计算量。虽然不知道这是否吻合CSP最初始的思想，但是其效果肯定是比我设想的那种情况更好的。
在这里插入图片描述

2.1.2.2 CSPDarknet53 结构

最终的 CSPDarknet53 的结构（右）和原版结构（左）对比
在这里插入图片描述

2.1.2.2 CSPDarknet53 复现

这部分的代码复现可阅读笔记。

2.1.3 YOLOv4 同时出现 CSP 和 Mish 并协同工作

CSP（Cross Stage Partial）和Mish函数在深度学习领域，尤其是卷积神经网络（CNN）中，虽然各自扮演着不同的角色，但在某些情况下（如YOLOv4等模型中）会同时出现并协同工作。

协同工作：在YOLOv4等模型中，CSP结构和Mish函数是协同工作的。CSP结构负责改进特征提取过程，而Mish函数则作为激活函数，提高网络的学习能力和梯度传递效率。

相互补充：CSP结构通过跨阶段的部分连接减少了计算量，而Mish函数则通过其平滑、无边界的特性提高了模型的性能。两者相互补充，共同提升了模型的整体表现。

在这里插入图片描述

2.2 YOLOv4中的数据增强

2.2.1 数据增强Mosaic

数据增强Mosaic、cmBN、SAT自对抗训练。

2.2.1.1【数据增强Mosaic】

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。

在这里插入图片描述

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。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2个优点：

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。
batch不需要很大：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。

2.2.1.3【SAT自对抗训练】

自对抗训练(SAT)也代表了一种新的数据增加技术，在两个前后阶段操作。

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，神经网络对自己执行一种对抗性攻击，改变原始图像，以制造图像上没有期望对象的假象。
在第二阶段，神经网络以正常的方式对这个修改后的图像进行检测。具体的可以参考这篇文章：https://blog.csdn.net/hgnuxc_1993/article/details/120724812

2.2.1.3【cmBN】

CmBN表示CBN修改后的版本，定义为交叉微批标准化(Cross mini-Batch Normalization, CmBN)。这只在单个批内的小批之间收集统计信息。具体的可以参考这篇文章

2.2.1.4 [Label Smoothing]

在这里插入图片描述

2.3 Dropblock 的采用（可以作用在任何卷积层）

Dropblock在2018年提出，论文地址：https://arxiv.org/pdf/1810.12890.pdf
传统的Dropout很简单，一句话就可以说的清：随机删除减少神经元的数量，使网络变得更简单。
yolov4中使用的Dropblock，其实和常见网络中的Dropout功能类似，也是缓解过拟合的一种正则化方式。

2.3.1 dropout 方案

Dropout的方式会随机的删减丢弃一些信息

2.3.2 dropblock 方案

丢弃策略

块大小（block_size）：dropblock的丢弃策略首先确定要丢弃的块的大小。这个大小是一个超参数，可以根据具体任务和网络结构进行调整。块的大小决定了每次丢弃的特征区域的范围。
丢弃概率（γ）：除了块大小外，dropblock还通过另一个超参数γ来控制丢弃的激活单元的比例。γ的值决定了在特征图中哪些区域会被丢弃，以及这些区域的大小和位置。
计算γ：在实际应用中，γ的值通常是根据dropout保留元素的概率（keep_prob）和特征图的大小（feat_size）来计算的。具体计算方式可能因实现而异，但目标是确保dropblock丢弃的元素数与传统dropout方法相当。

2.3.3 对比

dropout主要作用在全连接层，而dropblock可以作用在任何卷积层之上。
在这里插入图片描述

而Dropblock和Dropout相似，比如下图：
在这里插入图片描述

中间Dropout的方式会随机的删减丢弃一些信息，但Dropblock的研究者认为，卷积层对于这种随机丢弃并不敏感，因为卷积层通常是三层连用：卷积+激活+池化层，池化层本身就是对相邻单元起作用。而且即使随机丢弃，卷积层仍然可以从相邻的激活单元学习到相同的信息。

因此，在全连接层上效果很好的Dropout在卷积层上效果并不好。

所以右图Dropblock的研究者则干脆整个局部区域进行删减丢弃。

这种方式其实是借鉴2017年的cutout数据增强的方式，cutout是将输入图像的部分区域清零，而Dropblock则是将Cutout应用到每一个特征图。而且并不是用固定的归零比率，而是在训练时以一个小的比率开始，随着训练过程线性的增加这个比率。

在特征图上一块一块的进行归0操作，去促使网络去学习更加鲁棒的特征

为了保证Dropblock后的特征图与原先特征图大小一致，需要和dropout一样，进行rescale操作

Dropblock的研究者与Cutout进行对比验证时，发现有几个特点：

优点一：Dropblock的效果优于Cutout

优点二：Cutout只能作用于输入层，而Dropblock则是将Cutout应用到网络中的每一个特征图上

优点三：Dropblock可以定制各种组合，在训练的不同阶段可以修改删减的概率，从空间层面和时间层面，和Cutout相比都有更精细的改进。

Yolov4中直接采用了更优的Dropblock，对网络的正则化过程进行了全面的升级改进。

2.4 SPP、 FPN+PAN以及SAM方案

Yolov4的Neck结构主要采用了SPP模块、FPN+PAN、SAM的方式

(Space Pyramid Pool, SPP)模块
路径聚合网络【增强】(Path Aggregation Network, PANet)的结构

2.4.1 SPP

参考
作者在SPP模块中，使用k={11,55,99,1313}的最大池化的方式，再将不同尺度的特征图进行Concat操作。spp模块是YOLOv4中在YOLOv3的基础上加了的模块，而PAN则也是YOLOv4的创新模块。

yolo v4 颈部网络采用了空间金字塔池化(Space Pyramid Pool, SPP)模块和路径聚合网络(Path Aggregation Network, PANet)的结构。

主要是用于对特征进行融合。SPP网络作为Neck的附加模块，采用四种不同尺度的最大化操作：1×1，5×5，9×9，13×13，对上层输出的feature map进行处理，再将不同尺度的特征图进行Concat操作。该模块显著的增加了主干特征的接收范围，并且将上下文特征信息分离出来。

FPN+PAN结构，FPN是自顶向下，将高层的特征通过上采用的方式进行传递融合，得到进行预测的特征图。而Neck这部分，除了FPN外，还在此基础上添加了一个自底向上的特征金字塔，其中包含两个PAN结构。避免了在传递的过程中出现信息丢失的问题，提高了网络预测的准确性。
在这里插入图片描述

2.4.2 PAN

YOLOv3中的neck只有自顶向下的FPN，对特征图进行特征融合，而YOLOv4中则是FPN+PAN的方式对特征进一步的融合

下面是YOLOv3的neck中的FPN

在这里插入图片描述

如图所示，FPN是自顶向下的，将高层的特征信息通过上采样的方式进行传递融合，得到进行预测的特征图。

而YOLOv4中的neck如下：

在这里插入图片描述

是18年CVPR的PANet，当时主要应用于图像分割领域，但Alexey将其拆分应用到Yolov4中，进一步提高特征提取的能力

原本的PANet网络的PAN结构中，两个特征图结合是采用shortcut操作，而Yolov4中则采用**concat（route）**操作，特征图融合后的尺寸发生了变化
在这里插入图片描述

2.4.3 【SAM】

论文中提到的SAM是修改后的SAM版本，启发于CBAM。注意Modified SAM 是和点量权重相乘。
在这里插入图片描述

2.5 Head头

2.5.1【loss创新】

YOLO V4用CIOU损失代替了YOLOv3的box位置损失，取代了预测框和真实框的中心点坐标以及宽高信息设定MSE(均方误差）损失函数或者BCE损失函数，其他部分损失没改变。

在这里插入图片描述

2.5.2【NMS创新】

三个特征图一共可以解码出 19 × 19 × 3 + 38 × 38× 3 + 76 × 76 × 3 = 22743个box以及相应的类别、置信度。首先，设置一个置信度阈值，筛选掉低于阈值的box，再经过DIOU_NMS（非极大值抑制）后，就可以输出整个网络的预测结果了。

DIOU_NMS的处理步骤如下：

1.遍历图片中所有识别出目标的类，对每个类的所有框进行单独分析

2.再将所有的狗的预测框按分数从大到小排序，如下图：

在这里插入图片描述

3.下一步，设狗类概率最大的框为target，依次比较它和其他非0框进行(IOU-DIOU)计算，如果计算结果大于设定的DIoU阈值（这里是ε=0.5），就将该框的狗的概率置为0，如下target和第二个框的(IOU-DIOU)明显大于阈值0.5，所以舍去第二个框，把这个框的狗类概率设为0，如下图；

在这里插入图片描述 4.依次迭代，假设在经历了所有的扫描之后，对Dog类别只留下了两个框，如下：