Yolov5算法解读

yolov5于2020年由glenn-jocher首次提出，直至今日yolov5仍然在不断进行升级迭代。

Yolov5有YOLOv5s、YOLOv5m、YOLOv5l、YOLOv5x四个版本。文件中，这几个模型的结构基本一样，不同的是depth_multiple模型深度和width_multiple模型宽度这两个参数。 

yolov5主要分为输入端，backbone，Neck，和head(prediction)。backbone是New CSP-Darknet53。Neck层为SPFF和New CSP-PAN。Head层为Yolov3 head。 yolov5 6.0版本的主要架构如下图所示：

从整体结构图中，我们可以看到Backbone，neck和head由不同的blocks构成，下面是对于这三个部分，逐一介绍各个blocks。

1. 输入端：

YOLOv5在输入端采用了Mosaic数据增强，参考了CutMix数据增强的方法，Mosaic数据增强由原来的两张图像提高到四张图像进行拼接，并对图像进行随机缩放，随机裁剪和随机排列。使用数据增强可以改善数据集中，小、中、大目标数据不均衡的问题。

Mosaic数据增强的主要步骤为：1. Mosaic 2.Copy paste 3.Random affine（Scale, Translation and Shear) 4.Mixup 5.Albumentations 6. Augment HSV(Hue, Saturation, Value) 7. Random horizontal flip.

采用Mosaic数据增强的方式有几个优点：1.丰富数据集：随机使用4张图像，随机缩放后随机拼接，增加很多小目标，大大丰富了数据集，提高了网络的鲁棒性。2.减少GPU占用：随机拼接的方式让一张图像可以计算四张图像的数据，减少每个batch的数量，即使只有一个GPU，也能得到较好的结果。3.同时通过对识别物体的裁剪，使模型根据局部特征识别物体，有助于被遮挡物体的检测，从而提升了模型的检测能力。

2.backbone

在Backbone中，有conv，C3，SPFF是我们需要阐明的。

2.1.Conv模块

Conv卷积层由卷积，batch normalization和SiLu激活层组成。batch normalization具有防止过拟合，加速收敛的作用。SiLu激活函数是Sigmoid 加权线性组合，SiLU 函数也称为 swish 函数。
公式：silu(x)=x∗σ(x),where σ(x) is the logistic sigmoid. Silu函数处处可导，且连续光滑。Silu并非一个单调的函数，最大的缺点是计算量大。

2.2 C3模块

C3其结构作用基本相同均为CSP架构，只是在修正单元的选择上有所不同，其包含了3个标准卷积层，数量由配置文件yaml的n和depth_multiple参数乘积决定。该模块是对残差特征进行学习的主要模块,其结构分为两支,一支使用了上述指定多个Bottleneck堆叠，另一支仅经过一个基本卷积模块，最后将两支进行concat操作。
这个模块相对于之前版本BottleneckCSP模块不同的是，经历过残差输出后的卷积模块被去掉了，concat后的标准卷积模块中的激活函数也为SiLU。

Bottleneck模块借鉴了ResNet的残差结构，其中一路先进行1 ×1卷积将特征图的通道数减小一半，从而减少计算量，再通过3 ×3卷积提取特征，并且将通道数加倍，其输入与输出的通道数是不发生改变的。而另外一路通过shortcut进行残差连接，与第一路的输出特征图相加，从而实现特征融合。
在YOLOv5的Backbone中的Bottleneck都默认使shortcut为True，而在Head中的Bottleneck都不使用shortcut。

2.3. SPPF模块

SPPF由SPP改进而来，SPP先通过一个标准卷积模块将输入通道减半，然后分别做kernel-size为5，9，13的max pooling（对于不同的核大小，padding是自适应的）。对三次最大池化的结果与未进行池化操作的数据进行concat，最终合并后channel数是原来的2倍。

yolo的SPP借鉴了空间金字塔的思想，通过SPP模块实现了局部特征和全部特征。经过局部特征与全矩特征相融合后，丰富了特征图的表达能力，有利于待检测图像中目标大小差异较大的情况，对yolo这种复杂的多目标检测的精度有很大的提升。　　

SPPF（Spatial Pyramid Pooling – Fast ）使用3个5×5的最大池化，代替原来的5×5、9×9、13×13最大池化，多个小尺寸池化核级联代替SPP模块中单个大尺寸池化核，从而在保留原有功能，即融合不同感受野的特征图，丰富特征图的表达能力的情况下，进一步提高了运行速度。

3. Neck

在Neck部分，yolov5主要采用了PANet结构。

PANet在FPN（feature pyramid network）上提取网络内特征层次结构，FPN中顶部信息流需要通过骨干网络(Backbone)逐层地往下传递，由于层数相对较多，因此计算量比较大（a)。

PANet在FPN的基础上又引入了一个自底向上(Bottom-up)的路径。经过自顶向下(Top-down)的特征融合后，再进行自底向上(Bottom-up)的特征融合，这样底层的位置信息也能够传递到深层，从而增强多个尺度上的定位能力。

(a) FPN backbone. (b) Bottom-up path augmentation. (c) Adaptive feature pooling. (d) Box branch. (e) Fully-connected fusion.

4.Head

4.1 head

Head部分主要用于检测目标，分别输出20*20，40*40和80*80的特征图大小，对应的是32*32，16*16和8*8像素的目标。

YOLOv5的Head对Neck中得到的不同尺度的特征图分别通过1×1卷积将通道数扩展，扩展后的特征通道数为(类别数量+5)×每个检测层上的anchor数量。其中5分别对应的是预测框的中心点横坐标、纵坐标、宽度、高度和置信度，这里的置信度表示预测框的可信度，取值范围为( 0 , 1 ) ，值越大说明该预测框中越有可能存在目标。
Head中的3个检测层分别对应Neck中得到的3种不同尺寸的特征图。特征图上的每个网格都预设了3个不同宽高比的anchor，可以在特征图的通道维度上保存所有基于anchor先验框的位置信息和分类信息，用来预测和回归目标。
 4.2 目标框回归

 YOLOv5的目标框回归计算公式如下所示：

其中(bx,by,bw,bh)表示预测框的中心点坐标、宽度和高度，（Cx, Cy)表示预测框中心点所在网格的左上角坐标，(tx,ty)表示预测框的中心点相对于网格左上角坐标的偏移量，(tw,th)表示预测框的宽高相对于anchor宽高的缩放比例，表示(pw,ph)先验框anchor的宽高。
为了将预测框的中心点约束到当前网格中，使用Sigmoid函数处理偏移量，使预测的偏移值保持在(0,1)范围内。这样一来，根据目标框回归计算公式，预测框中心点坐标的偏移量保持在(−0.5,1.5)范围内，如上图蓝色区域所示。预测框的宽度和高度对于anchor的放缩范围为（0,4）。

4.3 目标的建立

如上面所述，YOLOv5的每个检测层上的每个网格都预设了多个anchor先验框，但并不是每个网格中都存在目标，也并不是每个anchor都适合用来回归当前目标，因此需要对这些anchor先验框进行筛选，将其划分为正样本和负样本。本文的正负样本指的是预测框而不是Ground Truth(人工标注的真实框)。
与YOLOv3/4不同的是，YOLOv5采用的是基于宽高比例的匹配策略，它的大致流程如下：

1. 对于每一个Ground Truth(人工标注的真实框)，分别计算它与9种不同anchor的宽与宽的比值(w1/w2, w2/w1)和高与高的比值(h1/h2, h2/h1)。

2. 找到Ground Truth与anchor的宽比(w1/w2, w2/w1)和高比(h1/h2, h2/h1)中的最大值，作为该Ground Truth和anchor的比值。
3. 若Ground Truth和anchor的比值r^max小于设定的比值阈值(超参数中默认为anchor_t = 4.0)，那么这个anchor就负责预测这个Ground Truth，这个anchor所回归得到的预测框就被称为正样本，剩余所有的预测框都是负样本。

通过上述方法，YOLOv5不仅筛选了正负样本，同时对于部分Ground Truth在单个尺度上匹配了多个anchor来进行预测，总体上增加了一定的正样本数量。除此以外，YOLOv5还通过以下几种方法增加正样本的个数，从而加快收敛速度。

跨网格扩充： 如果某个Ground Truth的中心点落在某个检测层上的某个网格中，除了中心点所在的网格之外，其左、上、右、下4个邻域的网格中，靠近Ground Truth中心点的两个网格中的anchor也会参与预测和回归，即一个目标会由3个网格的anchor进行预测，如下图所示。

跨分支扩充：YOLOv5的检测头包含了3个不同尺度的检测层，每个检测层上预设了3种不同长宽比的anchor，假设一个Ground Truth可以和不同尺度的检测层上的anchor匹配，则这3个检测层上所有符合条件的anchor都可以用来预测该Ground Truth，即一个目标可以由多个检测层的多个anchor进行预测。

NMS non-maximum suppression

当我们得到对目标的预测后，一个目标通常会产生很多冗余的预测框。Non-maximum suppression（NMS）其核心思想在于抑制非极大值的目标，去除冗余，从而搜索出局部极大值的目标，找到最优值。

在我们对目标产生预测框后，往往会产生大量冗余的边界框，因此我们需要去除位置准确率低的边界框，保留位置准确率高的边界框。NMS的主要步骤为：
1.对于每个种类的置信度按照从大到小的顺序排序，选出置信度最高的边框。

2.遍历其余所有剩下的边界框，计算这些边界框与置信度最高的边框的IOU值。如果某一边界框和置信度最高的边框IOU阈值大于我们所设定的IOU阈值，这意味着同一个物体被两个重复的边界框所预测，则去掉这这个边框。

3.从未处理的边框中再选择一个置信度最高的值，重复第二步的过程，直到选出的边框不再有与它超过IOU阈值的边框。

5.损失函数

5.1 总损失

YOLOv5的损失主要由三个部分组成。分类损失，目标损失和定位损失。

• Classes loss，分类损失，采用的是BCE loss，只计算正样本的分类损失。

• Objectness loss，置信度损失，采用的依然是BCE loss，指的是网络预测的目标边界框与GT Box的CIoU。这里计算的是所有样本的损失。

• Location loss，定位损失，采用的是CIoU loss，只计算正样本的定位损失。

其中，lambda为平衡系数，分别为0.5，1和0.05。

5.2 定位损失 Location loss

IOU， intersection of Union交并比，它的作用是衡量目标检测中预测框与真实框的重叠程度。假设预测框为A，真实框为B，则IoU的表达式为

但是当预测框与真实框没有相交时，IoU不能反映两者之间的距离，并且此时IoU损失为0，将会影响梯度回传，从而导致无法训练。此外，IoU无法精确的反映预测框与真实框的重合度大小。YOLOv5默认使用CIoU来计算边界框损失。其中DIoU将预测框和真实框之间的距离，重叠率以及尺度等因素都考虑了进去，使得目标框回归变得更加稳定。CIoU是在DIoU的基础上，遵循与IoU相同的定义，进一步考虑了Bounding Box的宽和高的比。即将比较对象的形状属性编码为区域（region）属性；b)维持IoU的尺寸不变性；c) 在重叠对象的情况下确保与IoU的强相关性。

DIoU的损失函数为                                    

其中b和b^gt 分别表示预测框和真实框的中心点，ρ表示两个中心点之间的欧式距离，c表示预测框和真实框的最小闭包区域的对角线距离，gt是ground truth缩写

如下图所示:

CIoU是在DIoU的惩罚项基础上添加了一个影响因子αv，这个因子将预测框的宽高比和真实框的宽高比考虑进去，即CIoU的损失计算公式为

 其中α是权重参数，它的表达式为

 v是用来衡量宽高比的一致性，它的表达式为

5.3 分类损失

YOLOv5默认使用二元交叉熵函数来计算分类损失。二元交叉熵函数的定义为

其中y为输入样本对应的标签（正样本为1，负样本为0），p为模型预测该输入样本为正样本的概率。假设，交叉熵函数的定义可简化为 

YOLOv5使用二元交叉熵损失函数计算类别概率和目标置信度得分的损失，各个标签不是互斥的。YOLOv5使用多个独立的逻辑（logistic）分类器替换softmax函数，以计算输入属于特定标签的可能性。在计算分类损失进行训练时，对每个标签使用二元交叉熵损失。这也避免使用softmax函数而降低了计算复杂度。

5.4 置信度损失

每个预测框的置信度表示这个预测框的可靠程度，值越大表示该预测框越可靠，也表示越接近真实框。对于置信度标签，YOLO之前的版本认为所有存在目标的网格(正样本)对应的标签值均为1，其余网格(负样本)对应的标签值为0。但是这样带来的问题是有些预测框可能只是在目标的周围，而并不能精准预测框的位置。因此YOLOv5的做法是，根据网格对应的预测框与真实框的CIoU作为该预测框的置信度标签。与计算分类损失一样，YOLOv5默认使用二元交叉熵函数来计算置信度损失。

同时，对于目标损失，在不同的预测特征层也给予了不同权重。这些

在源码中，针对预测小目标的预测特征层采用的权重是4.0，针对预测中等目标的预测特征层采用的权重是1.0，针对预测大目标的预测特征层采用的权重是0.4，作者说这是针对COCO数据集设置的超参数。