YOLO系列创新点集合_yolov5创新

一、ACON激活函数

Ma, Ningning, et al. “Activate or not: Learning customized activation.” Proceedings of the IEEE/CVF Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. 2021.

论文地址：

https://arxiv.org/pdf/2009.04759.pdf.

论文简介

ReLU激活函数在很长一段时间都是最佳的神经网络激活函数，主要是由于其非饱和、稀疏性等优秀的特性，但是它也同样会产生神经元坏死的严重后果。而近年来人们使用NAS搜索技术找到的Swish激活函数效果非常好，但是问题是Swish激活函数是使用NAS技术暴力搜索出来的，我们无法真正解释Swish激活函数效果这么好的真正原因是什么？

在这篇论文中，作者尝试从Swish激活函数和ReLU激活函数的公式出发，挖掘其中的平滑近似原理（Smooth Approximation），并且将这个原理应用到Maxout family激活函数，提出了一种新型的激活函数：ACON family 激活函数。通过大量实验证明，ACON family 激活函数在分类、检测等任务中性能都优于ReLU和Swish激活函数。

ACON family

作者提出一种新颖的Swish函数解释：Swish函数是ReLU函数的平滑近似（Smoth maximum），并基于这个发现，进一步分析ReLU的一般形式Maxout系列激活函数，利用Smoth maximum将Maxout系列扩展得到简单且有效的ACON系列激活函数：ACON-A、ACON-B、ACON-C。

同时提出meta-ACON，动态的学习（自适应）激活函数的线性/非线性，控制网络每一层的非线性程度，显著提高了表现。另外还证明了ACON的参数P1和P2 负责控制函数的上下限（这个对最终效果由很大的意义），参数β \betaβ负责动态的控制激活函数的线性/非线性。

参数β \betaβ负责动态的控制激活函数的线性/非线性，这种定制的激活行为有助于提高泛化和传递性能

meta-ACON激活函数中参数β \betaβ，通过一个小型卷积网络，并通过Sigmoid函数学习得到。

ACON激活函数的性质：

ACON-A（Swish函数）是ReLU函数的平滑近似（Smoth maximum）.

ACON-C的一阶导数的上下界也是通过P1和P2两个参数来共同决定的，通过学习，能获得性能更好的激活函数.

参数β \betaβ负责动态的控制激活函数的线性/非线性，这种定制的激活行为有助于提高泛化和传递性能.

meta-ACON激活函数中参数β \betaβ，通过一个小型卷积网络，并通过Sigmoid函数学习得到.

二、引入transformer

Bottleneck Transformers for Visual Recognition

Aravind Srinivas, Tsung-Yi Lin, Niki Parmar, Jonathon Shlens, Pieter Abbeel, Ashish Vaswani

YOLOv5主干特征提取网络为CNN网络，CNN具有平移不变性和局部性，缺乏全局建模长距离建模的能力，引入自然语言处理领域的框架Transformer来形成CNN+Transformer架构，充分两者的优点，提高目标检测效果，对小目标以及密集预测任务会有一定的提升效果。

原理：

BoTNet是一种简单却功能强大的backbone，该架构将自注意力纳入了多种计算机视觉任务，包括图像分类，目标检测和实例分割。通过仅在ResNet的最后三个bottleneck blocks中用全局自注意力替换空间卷积，并且不进行其他任何更改，在目标检测方面显著改善了基线，同时还减少了参数，从而使延迟最小化。

Transformer中的MHSA和BoTNet中的MHSA的区别：

归一化，Transformer使用 Layer Normalization，而BoTNet使用 Batch Normalization。

非线性激活，Transformer仅仅使用一个非线性激活在FPN block模块中，BoTNet使用了3个非线性激活。

输出投影，Transformer中的MHSA包含一个输出投影，BoTNet则没有。

优化器，Transformer使用Adam优化器训练，BoTNet使用sgd+ momentum

三、BiFPN特征融合

[Cite]Tan, Mingxing, Ruoming Pang, and Quoc V. Le. “Efficientdet: Scalable and efficient object detection.” Proceedings of the IEEE/CVF conference on computer vision and pattern recognition. 2020.

论文简介

本文系统地研究了用于目标检测的神经网络结构设计选择，并提出了几个关键的优化方法以提高效率

首先，提出了一种加权双向特征金字塔网络(BiFPN)，该网络可以实现简单快速的多尺度特征融合

其次，提出了一种Compound Scaling方法，该方法可以同时对所有主干网络、特征网络和盒类预测网络的分辨率、深度和宽度进行统一标度

基于这些优化措施和EfficientNet backbone，开发了一个新的对象检测器系列，称为EfficientDet

双向加权特征金字塔BiFPN

对于多尺度融合，在融合不同的输入特征时，以往的研究（FPN以及一些对FPN的改进工作）大多只是没有区别的将特征相加；然而，由于这些不同的输入特征具有不同的分辨率，我们观察到它们对融合输出特征的贡献往往是不平等的。

为了解决这一问题，作者提出了一种简单而高效的加权（类似与attention）双向特征金字塔网络（BiFPN），它引入可学习的权值来学习不同输入特征的重要性，同时反复应用自顶向下和自下而上的多尺度特征融合：

四.非极大值抑制NMS算法改进Soft-nms

YOLOv5默认采用NMS算法，主要是通过IoU来筛选出候选框。NMS主要就是通过迭代的形式，不断的以最大得分的框去与其他框做IoU操作，并过滤那些IoU较大（即交集较大）的框。NMS缺点：1、NMS算法中的最大问题就是它将相邻检测框的分数均强制归零(即将重叠部分大于重叠阈值Nt的检测框移除)。在这种情况下，如果一个真实物体在重叠区域出现，则将导致对该物体的检测失败并降低了算法的平均检测率。2、NMS的阈值也不太容易确定，设置过小会出现误删，设置过高又容易增大误检。采用soft nms进行改进。

原 理：

NMS算法是略显粗暴，因为NMS直接将删除所有IoU大于阈值的框。soft-NMS吸取了NMS的教训，在算法执行过程中不是简单的对IoU大于阈值的检测框删除，而是降低得分。算法流程同NMS相同，但是对原置信度得分使用函数运算，目标是降低置信度得分.1、Soft-NMS可以很方便地引入到object detection算法中，不需要重新训练原有的模型、代码容易实现，不增加计算量（计算量相比整个object detection算法可忽略）。并且很容易集成到目前所有使用NMS的目标检测算法。2、soft-NMS在训练中采用传统的NMS方法，仅在推断代码中实现soft-NMS。3、NMS是Soft-NMS特殊形式，当得分重置函数采用二值化函数时，Soft-NMS和NMS是相同的。soft-NMS算法是一种更加通用的非最大抑制算法。

五.锚框K-Means算法改进K-Means++

六.结合EIoU、Alpha-IoU损失函数

Zhang, Yi-Fan, et al. “Focal and efficient IOU loss for accurate bounding box regression.” arXiv preprint arXiv:2101.08158 (2021).

论文地址

CIoU损失是在DIoU损失的基础上添加了衡量预测框和GT框纵横比v vv，在一定程度上可以加快预测框的回归速度，但是仍然存在着很大的问题：

在预测框回归过程中，一旦预测框和GT框的宽高纵横比呈现线性比例时，CIoU中添加的相对比例的惩罚项便不再起作用

根据预测框w和h的梯度公式可以推知，w和h在其中一个值增大时，另外一个值必须减小，它俩不能保持同增同减

为了解决这个问题，EIoU提出了直接对w和h的预测结果进行惩罚的损失函数：

下图是GIoU、CIoU和EIoU损失预测框的迭代过程对比图，红色框和绿色框就是预测框的回归过程，蓝色框是真实框，黑色框是预先设定的锚框：

GIoU的问题是使用最小外接矩形的面积减去并集的面积作为惩罚项，这导致了GIoU存在先扩大并集面积，再优化IoU的走弯路的问题

CIoU的问题是宽和高不能同时增大或者减小，而EIoU则可以

Alpha-IoU

He, Jiabo, et al. “$\alpha $-IoU: A Family of Power Intersection over Union Losses for Bounding Box Regression.” Advances in Neural Information Processing Systems 34 (2021).

论文地址

由于IoU Loss对于bbox尺度不变，可以训练出更好的检测器，因此在目标检测中常采用IOU Loss对预测框计算定位回归损失（在YOLOv5中采用CIoU Loss）

而本文提出的Alpha-IoU Loss是基于现有IoU Loss的统一幂化，即对所有的IoU Loss，增加α \alphaα幂，当α \alphaα等于1时，则回归到原始各个Loss