YOLOv5算法原理与网络结构

YOLOv5算法原理与网络结构

1.1 YOLOv5算法

YOLOv5算法共有4种网络结构，分别是YOLOv5s、YOLOv5m、YOLOv5l和YOLOv5x，这四种网络结构在宽度和深度上不同，原理上基本一样，接下来以 YOLOv5s 为例介绍 YOLOv5网络结构。

图1 YOLOv5网络结构图

YOLOv5s的网络结构如图1所示，该结构分为四个部分输入端、Backbone（主干网络）、Neck网络和Prediction（输出端）。

各部分具有的主要功能结构如下：

输入端：Mosaic数据增强、自适应锚框计算，以及自适应图片缩放。

主干网络：Focus结构、CSP结构。

Neck网络：FPN+PAN结构。

输出端：GIOU_Loss。

1.1.1 输入端

(1) Mosaic数据增强

输入端使用的数据增强方式是Mosaic方式，对数据集合采取随机缩放、随机剪裁、随机排布。

主要有两个优点：

第一，提高了数据集的复杂度：对多张图片，进行随机的缩放以及剪裁，之后再随机分布，进行拼接，使数据集得到极大地丰富，特别是进行随机缩放操作，可以增加许多小目标，训练得到的模型，鲁棒性会更好；

第二，减少 GPU 内存使用：使得 Mini-batch 也就是一个批次从数据集读取进行训练的图片张数，不需要设置的很大，因此，训练时使用一个GPU也能达到比较好的训练效果。

(2) 自适应锚框计算

YOLO系列检测算法中，针对不同目标，都会初始设定好默认长宽的锚框，进行训练时，在初始设定好的锚框基础上，输出一个预测框，将标注的真实框和预测框做对比，并且计算它们的差距，之后再反向更新，迭代网络结构中的参数。在 YOLOv3、YOLOv4中，训练不同的数据集时，计算初始锚框的值是通过单独的程序运行的，但在YOLOv5中将此功能嵌入到算法结构中，每次训练时，自适应的计算不同训练集中的最佳锚框值。

(3) 自适应图片缩放

在目标检测算法中，针对数据集中图片长宽一般不相同的问题，经常是将原始图片先缩放成一个统一的标准尺寸，全部处理后，再送入检测网络中，将长宽800*600的图像进行缩放，使用黑色背景来填充，填充后会出现大区域的黑边。在项目实际使用时，图片的长宽比几乎都不相同，因此缩放填充后，黑边大小都不同，如果填充的比较多，则存在信息冗余，影响网络推理速度。

因此，在最新的 YOLOv5 算法中进行了改进，这也是 YOLOv5算法推理速度能够变快的一个方面。该算法对原始图像进行缩放操作时，可以根据图片尺寸，自适应的添加最少黑边，图像的黑边明显变少了，这样处理后，在推理时，计算量也会得到减少，从而使得网络的目标检测速度会得到提高。

通过这种自适应缩放的优化改进，YOLOv5的推理速度得到了提升，把长宽 800*600 的图像缩放填充为 416*416 尺寸的图像为例，介绍自适应图片缩放的三步：

第一步，计算长宽的缩放比例，将原始图像尺寸 800*600，分别除以缩放后的尺寸 416*416，可以计算出长边的缩放系数为0.52，宽边的缩放系数为0.69。

第二步，选择较小的缩放系数 0.52，将原始图像的长宽都乘以0.52，计算出此时的长边是416，宽边是312。

第三步，计算需要填充的黑色区域，宽边312和需要缩放到的 416相差104，差值除以 2，就得到了两端需要填充的黑色区域的高度。

1.1.2 主干网络

   (1) Focus结构

Focus结构中关键的是切片操作，切片操作演示过程，将4×4×3的特征图经过切片处理，变成2×2×12的特征图。将608×608×3 的三通道图像输进 Focus 结构，经过切片操作，先变成304×304×12 的特征图，之后，经过使用 32 个卷积核的卷积操作，最终变成 304×304×32 的特征图。需要注意的是，YOLOv5s网络结构中的 Focus 结构使用32个卷积核，进行卷积操作，而其他三种网络结构，使用的卷积核数量有所增加。

(2) CSP结构

YOLOv5中有两种结构的CSP，CSP1_X结构在Backbone主干网络中，另一种CSP2_X结构在Neck中。对于Backbone的主

干网络结构，CSP 模块中的卷积核大小都是 3*3，步进值为 2，假如输入的图像尺寸是 608*608，那么它的特征图变化的规律

是：608*608 -> 304*304 -> 152*152 -> 76*76 -> 38*38 -> 19*19，最终得到了一个19*19大小的特征图。

使用CSP模块的优点：

一是增强网络的学习能力，使得训练出的模型，既能保持轻量化，又能有较高的准确性。

二是降低计算瓶颈。

三是降低内存成本。

1.1.3 Neck网络

(1) FPN+PAN

FPN 是自顶向下的，通过上采样操作，将高层的特征信息和低层特征进行融合，计算出预测的特征图。YOLOv5网络结构中在FPN层后面，还添加了一个特征金字塔，自下向上，其中有两个PAN 结构，通过下采样操作，将低层的特征信息和高层特征进行融合，输出预测的特征图。

优点：通过自顶向下的FPN层，传达强语义特征，而通过自底向上的特征金字塔，传达强定位特征，从不同的主干层，对不同的检测层，进行参数聚合。

1.1.4 输出端

(1) GIOU_Loss损失函数

目标检测算法的损失函数一般由 Classification Loss（分类损失函数）以及 Bounding Box Regression Loss（回归损失函数）两大部分组成。回归损失函数在近几年的发展过程是：

Smooth L1 Loss -> IOU _Loss（2016）-> GIOU_Loss（2019）-> DIOU_Loss（2020）-> CIOU_Loss（2020）。

假设预测框和真实框的交集为A，并集为B，IOU定义为交集A除以并集B，IOU的Loss为：

IOU_Loss = 1-IOU=1-AB      (1)

IOU的Loss比较简单，但存在两个问题。

问题1：预测框和真实框不相交的情况，此时 IOU 为 0，无法反应出预测框和真实框距离的远近，此时损失函数不能求导，IOU_Loss损失函数无法优化预测框和真实框不相交的情况。

问题 2：当预测框和真实框大小相同，IOU 也可能会相同，此时 IOU_Loss 损失函数也不能区分这两种情况的不同。

因此使用GIOU_Loss来进行改进。令预测框和真实框的最小外接矩形为集合C，差集定义为集合C和并集B的差，则GIOU_Loss为：

GIOU_Loss=1-GIOU=1-(IOU-|差集||C |)  (2)

GIOU_Loss损失函数提高了衡量相交尺度的方式，减少了单纯IOU_Loss时的不足。

1.2 YOLOv5网络结构分析

YOLOv5的4种网络结构YOLOv5s、YOLOv5m、YOLOv5l和YOLOv5x内容基本一样，只在深度和宽度上不同，通过depth_multiple 和 width_multiple 两个参数来进行控制，其中前者控制网络深度，后者控制网络宽度。现在分析4 种网络结构的差异。

1.2.1 网络结构深度

YOLOv5 网络结构中有两种CSP结构，分别是CSP1和CSP2，其中CSP1结构存在于Backbone主干网络中，CSP2结构存在于Neck网络中，四种网络中每个CSP结构的深度都是不同的。

图5 YOLOv5四种网络的CSP结构

以 YOLOv5s为例，第一个CSP1中，使用了1个残差组件，因此是CSP1_1，在YOLOv5m中，增加了网络的深度，在第一个CSP1中，使用了2个残差组件，因此是CSP1_2，YOLOv5l中，同样的位置，则使用了3个残差组件，YOLOv5x中，使用了4个，其余CSP也是同样的原理，使用残差组件的个数如图5所示。

在CSP2结构中，以第一个CSP2结构为例，YOLOv5s中使用了1组2*1等于2的卷积，因此是 CSP2_1，而YOLOv5m中使用了2 组，YOLOv5l中使用了3组，YOLOv5x中使用了4组，其他的四个CSP2结构，同理。YOLOv5的四种网络结构，随着不断加深网络层数，网络的特征提取能力以及特征融合能力也不断提高。

1.2.2 网络结构宽度

如图6可以看出四种网络结构在不同位置，使用的卷积核数量都是不一样的，因此直接影响卷积后特征图的第三维度，即网络的宽度。

图6 YOLOv5四种网络的卷积核个数

以 YOLOv5s的网络结构为例，YOLOv5s网络中的第一个Focus结构，进行卷积操作时，使用的卷积核个数是32个，而YOLOv5m的Focus结构中，使用48个卷积核，进行卷积操作，在YOLOv5l，YOLOv5x中也是同样的原理。卷积核个数越多，特征图的宽度越宽，网络提取特征的学习能力也越强。

2. Deep sort算法原理与网络结构

2.1 deep sort算法

Deepsort在原来Sort算法的基础上，改进了以下内容：

使用级联匹配算法：针对每一个检测器都会分配一个跟踪器，每个跟踪器会设定一个time_since_update参数。

添加马氏距离与余弦距离：实际上是针对运动信息与外观信息的计算。

添加深度学习特征：这一部分也就是ReID的模块，也是deepsort的亮点之一。

代码流程

由于deepsort的流程和算法原理几乎和sort一样，只是说增加了上边三个特色，因此我们直接从代码开始讲起：

2.2 deep sort算法整体流程图

算法的整体流程图如下所示：

整个算法的工作流程如下：

（1）将第一帧次检测到的结果创建其对应的Tracks。将卡尔曼滤波的运动变量初始化，通过卡尔曼滤波预测其对应的框框。这时候的Tracks一定是unconfirmed的。

（2）将该帧目标检测的框框和第上一帧通过Tracks预测的框框一一进行IOU匹配，再通过IOU匹配的结果计算其代价矩阵（cost matrix，其计算方式是1-IOU）。

（3）将（2）中得到的所有的代价矩阵作为匈牙利算法的输入，得到线性的匹配的结果，这时候我们得到的结果有三种，第一种是Tracks失配（Unmatched Tracks），我们直接将失配的Tracks（因为这个Tracks是不确定态了，如果是确定态的话则要连续达到一定的次数（默认30次）才可以删除）删除；第二种是Detections失配（Unmatched Detections），我们将这样的Detections初始化为一个新的Tracks（new Tracks）；第三种是检测框和预测的框框配对成功，这说明我们前一帧和后一帧追踪成功，将其对应的Detections通过卡尔曼滤波更新其对应的Tracks变量。

（4）反复循环（2）-（3）步骤，直到出现确认态（confirmed）的Tracks或者视频帧结束。

（5）通过卡尔曼滤波预测其确认态的Tracks和不确认态的Tracks对应的框框。将确认态的Tracks的框框和是Detections进行级联匹配（之前每次只要Tracks匹配上都会保存Detections其的外观特征和运动信息，默认保存前100帧，利用外观特征和运动信息和Detections进行级联匹配,这么做是因为确认态（confirmed）的Tracks和Detections匹配的可能性更大）。

（6）进行级联匹配后有三种可能的结果。第一种，Tracks匹配，这样的Tracks通过卡尔曼滤波更新其对应的Tracks变量。第二第三种是Detections和Tracks失配，这时将之前的不确认状态的Tracks和失配的Tracks一起和Unmatched Detections一一进行IOU匹配，再通过IOU匹配的结果计算其代价矩阵（cost matrix，其计算方式是1-IOU）。

（7）将（6）中得到的所有的代价矩阵作为匈牙利算法的输入，得到线性的匹配的结果，这时候我们得到的结果有三种，第一种是Tracks失配（Unmatched Tracks），我们直接将失配的Tracks（因为这个Tracks是不确定态了，如果是确定态的话则要连续达到一定的次数（默认30次）才可以删除）删除；第二种是Detections失配（Unmatched Detections），我们将这样的Detections初始化为一个新的Tracks（new Tracks）；第三种是检测框和预测的框框配对成功，这说明我们前一帧和后一帧追踪成功，将其对应的Detections通过卡尔曼滤波更新其对应的Tracks变量。

（8）反复循环（5）-（7）步骤，直到视频帧结束。