三万字硬核详解：yolov1、yolov2、yolov3、yolov4、yolov5、yolov7_yolov各个版本的功能

YOLO的每个版本都是基于前一版本进行更新，故需要先理解初始版本。

前言：评价指标

（1）指标：IOU

（2）指标：Precision（精度）、Recall（召回率）

（3）指标：AP + mAP

mAP是综合衡量Precision与Recall的一种指标值，理论上mAP的最优值=1。

举例理解：在所有预测图片中，取某一个类别的P-R曲线图

• P-R曲线图：以Recall为横轴，Precision为纵轴，并将Precision[0, 1]范围内的每个点对应recall的值连接起来形成一条折线。如左图的蓝色曲线
  曲线特点：随着recall值增加，precision值会逐渐降低，最终在某个值附近上下波动。
• AP（Average Precison）：
  （1）以y = precision为平行线，从上向下，取P-R曲线图在每个y值对应的最大值，然后连接形成阶梯状曲线。如左图的红色曲线
  （2）阶梯曲线与 x 轴围成的面积之和就是AP值（A1+A2+A3+A4=AP），如右图的四个长方形。其中：1/2/3/4表示在四个不同的准确度下。
• mAP（mean Average Precision）： 对所有类别对应的AP值进行求和取均值，就得到整个数据集上的mAP。

一、开山之作：yolov1

论文地址：You Only Look Once: Unified, Real-Time Object Detection
官方代码：https://github.com/pjreddie/darknet

（1.1）简介

yolov之前，双阶段（two-stage）的R-CNN系列算法在目标检测领域独占鳌头。先利用RPN（Region Proposal CNN）基于候选框提取的CNN网络生成感兴趣区域，再对该区域进行分类与位置回归。

• 优缺点：提升了精度，但限制了检测速度。

2016年，单阶段（one-stage）的YOLO（You Only Look Once） 初出茅庐。利用CNN卷积神经网络进行特征提取，并识别种类和位置。

• 优缺点：检测速度很快，但精度明显下降。

备注：FPS是指视频每秒传输的帧数。例如：FPS=45 表示为45帧/秒。帧数愈多，所显示的动作就会越流畅。

❤️ yolo核心思想：把目标检测转变成一个回归问题。将整个图像作为网络的输入，仅仅经过一个神经网络，得到边界框的位置及其所属的类别。

（1.2）网络模型

输入图像尺寸：448×448（固定值，与全连接层的输出大小有关），经过24个卷积与2个全连接层后，最后输出的特征图为7x7x30。

• 在3x3的卷积后接1x1卷积，既降低了计算量，也提升了模型的非线性能力。
• 除最后一层使用线性激活函数外，其余层都使用Leaky ReLU激活函数。
• 在训练中使用Dropout与数据增强的方法来防止过拟合。

训练时的图像尺寸：224×224；测试时的图像尺寸：448×448。 原因：224×224×3 相比448×448×3相差四倍，其像素点大幅度降低，减少对计算机的性能要求。

1.2.1、最大创新：7x7x30特征图

在整张图中，共预测7x7x2=98个边框，每个边框的大小与位置都不相同。

• 分类类别：由于PASCAL VOC数据集共有20个物体类别，因此预测的每个边框都会分别得到20个类别的概率值。
• 置信度（confidence）：表示当前网格是否包含目标物体（前景、背景），占比越多值越大。两个边框得到2（1 + 1）个置信度预测值。
• 边框位置（x, y, w, h）：每个边框需要预测四个值：中心坐标（x，y）、宽w、高h。两个边框得到8（4 + 4）个预测值。

将输入图像划分为7x7的网格，每个网格预测2个边框（bounding box），每个边框得到五个值（x，y，w，h，confidence）。论文采用20分类，故最后得到通道数为2*5+20=30，代表每个网格预测30个特征值。

1.2.2、连续使用两个全连接层的作用

第一个全连接层作用：将卷积得到的分布式特征映射到样本标记空间。即把该输入图像的所有卷积特征整合到一起。
第二个全连接层作用：将所有神经元得到的卷积特征进行维度转换，最后得到与目标检测网络输出维度相同的维度。

【小问题思考】两个全连接层连用 1x1卷积作用

（1.3）损失函数（位置误差 + 置信度误差obj + 置信度误差noobj + 分类误差）

通过卷积神经网络得到每个边框的预测值后，需要确定每个边框对应的是前景框（真实物体）还是背景框（无关物体），即区分正样本、负样本。

• 正样本：将与真实物体对应IoU最大值的边框设为正样本，每个边框的置信度都为1。
• 负样本：其余边框为负样本，置信度全为0。备注：负样本没有类别损失与边框位置损失，只有置信度损失。

损失函数由 4 个部分组成，均使用均方差损失。参数如下：共有 S² 个区域（7x7=49），B表示每个网格有2个边框，obj表示对应真实物体，noobj表示没有对应真实物体。

• 采用NMS非极大值抑制，提取每个网格预测的两个边框中，IoU最大的边框。
  • （1）位置误差：计算边框的预测值与真实值的位置误差。
    前一个部分计算正样中心点坐标的损失，前一个部分计算正样本宽和高的损失。
    其中：λcoord用于调整位置误差的权重。由于不同物体的尺寸大小对宽高差值影响极大，因此对w和h进行平方根处理，降低对物体尺度的敏感度，强化小物体的损失权重。
  • （2）置信度误差（obj）：前景误差：计算边框与正样本的误差。
    若边框的IoU大于置信度阈值，则该边界框属于前景。若存在多个满足要求的边框，则进行非极大值抑制。我们希望前景框的误差趋近于1。
  • （3）置信度误差（noobj）：背景误差：计算边框与负样本的误差。
    若边框的IoU小于置信度阈值或IoU=0，则该边界框属于背景。我们希望背景框的误差趋近于0。
    其中：λnoobj用于调整负样本置信度损失的权重（默认为0.5）。由于背景框的数量远远大于前景框，故对背景框误差设置阈值（如：0.1），降低背景框误差对损失函数的影响。
  • （4）分类误差：计算每个边框得到的20个分类概率值与正样本的误差。

（1.4）NMS非极大值抑制

非极大值抑制可以用来修正多重检测目标，能增加2~3%的mAP。
即在检测结果中，若存在多个检测框的IoU大于置信度阈值，则通过NMS只提取其中最大IoU值对应的一个框。如下图：五个框中只取最大值（置信度=0.98）的预测框。

（1.5）性能表现

优点

• （1）YOLO检测速度非常快。
  • 标准版本：可以每秒处理 45 帧图像；
  • 极速版本：可以每秒处理 150 帧图像，完全满足视频的实时检测要求；
  • 欠实时系统：在保证准确率的情况下，速度也快于其他方法。
• （2）YOLO 实时检测的平均精度是其他实时监测系统的两倍。
• （3）迁移能力强，能运用到其他的新的领域（比如：艺术品目标检测）。

缺点

• （1）对于小目标以及重叠目标，检测效果不好。
• （2）由于没有类似于Anchor的先验框，对于新目标或宽高比例不常见的目标，检测效果不好。
• （2）在损失函数中，大目标的损失比小目标大，大目标与小目标的位置误差的损失权重相同，导致目标定位不准确。

二、更快更强：yolov2

论文地址：YOLO9000: Better, Faster, Stronger
官方代码：http://pjreddie.com/darknet/yolo/

2017年，提出了yolov2和yolo9000，yolo9000能够实时检测超过9000种物体，主要检测网络还是yolov2。

• yolov2的核心：主要解决yolov1召回率偏低以及定位精度不足的问题，但整体网络架构没有改变。
• yolov2的特点：相比其它检测器，速度更快、精度更高、可以适应多种尺寸的输入图像。

主要区别：
（1）yolov1是利用全连接层直接预测Bounding Box的坐标。yolov2借鉴了Faster R-CNN的思想，引入Anchor机制，并利用K-means聚类的方法在训练集中聚类计算出更好的Anchor模板，大大提高了算法的召回率；
（2）同时结合图像细粒度特征，将浅层特征与深层特征相连，有助于对小尺寸目标的检测。

（2.1）性能表现

yolov2相比v1提出了很多改进措施，随着添加每一步改进，mAP值持续上升。

（2.2）网络模型（Darknet-19）

Darknet-19采用了19个卷积层，5个池化层。

• （1）取消yolov1的两个全连接层。
  yolov1基于全连接层直接预测 Bounding Boxes 的坐标值。
  yolov2采用 Faster R-CNN 的方法，只用卷积层与 RPN（Region Proposal Network ）来预测 Anchor Box 偏移量与置信度，而不是直接预测坐标值。
• （2）添加了五个最大池化层（2的5次方）。
  最终输出图像尺寸：由输入图像（h，w）转换为（h / 32，w / 32）。
• （3）输入图像尺寸：由 yolov1 的 448×448 变为 yolov2 的 416×416。
  备注：（416/32=13、448/32=14）。因为我们希望最后得到的是奇数值，有实际的中心点。最终网格尺寸为13×13，与yolov1的7×7相比，可以预测更多的先验框。
• （4）基于VGG的思想，大部分的卷积核都是3×3，一方面权重参数少，一方面感受野比较大；且采用降维的思想，将1×1的卷积核置于3×3之间，在保持整体网络结构的同时减少权重参数。并且每次池化后，下一层卷积核的通道数 = 池化输出的通道 × 2。
• （5）在网络模型的最后，增加了一个全局平均池化层。
  

Darknet-19 与 yolov1、VGG16网络的性能对比

• （1）VGG-16： 大多数检测网络框架都是以VGG-16作为基础特征提取器。准确率高，但计算复杂度大，所以速度相对较慢。因此，YOLOv2的网络结构基于该方面进行改进。
• （2）yolov1： 基于GoogLeNet的自定义网络，比VGG-16的速度快，但是精度稍不如VGG-16。
• （3）Darknet-19：
  • 速度方面：处理一张图片仅需要55.8亿次运算，相比于VGG的306.9亿次，速度快了近6倍。
  • 精度方面：在ImageNet上的测试精度为：top1准确率为72.9%，top5准确率为91.2%。

（2.3）改进之处

（2.3.1）加入批标准化（Batch Normalization，BN）

最终约提升2%的mAP。
具体操作： 在每一个卷积层后面都加入BN，对数据进行预处理操作（如：统一格式、均衡化、去噪等）。
优点：解决梯度消失和爆炸问题，起到一定的正则化效果（yolov2不再使用dropout），获得更好的收敛速度。

（2.3.2）使用高分辨率图像，微调分类模型。

最终约提升4%的mAP。
背景：yolov1训练时的分辨率：224×224；测试时：448×448。
具体操作：yolov2保持yolov1的操作不变，但在原训练的基础上又加上了（10个epoch）的448×448高分辨率样本进行微调，使网络特征逐渐适应 448×448 的分辨率；然后再使用 448×448 的样本进行测试，缓解了分辨率突然切换造成的影响。

（2.3.3）聚类提取先验框（Anchor Box）

最终约提升7%的recall达到88%，但降低了0.3%的mAP。
（1）❤️ yolov1边界框都是手工设定的，通过直接对边界框的（x，y，w，h）位置进行预测，方法简单但训练困难，很难收敛。
（2）❤️ Faster R-CNN共有9种先验框：分三个不同的scale（大中小），每个scale的（h，w）比例分为：1:1、1:2、2:1。

（3）❤️ yolov2引入Anchor先验框机制 。但由于Faster R-CNN中先验框的大小和比例是按经验设定的，不具有很好的代表性。故yolov2对训练集中所有标注的边界框先进行聚类分析（比如：5类），然后获取每一类的中心值即实际的（w，h）比值作为先验框。该值与真实值更接近，使得网络在训练时更容易收敛。

备注1：yolov1将图像划分为7×7个网格，每个网格grid只预测2个边界框，共7×7×2=98个。
备注2：yolov2将图像划分为13×13个网格，每个网格grid只预测5个边界框，共13×13×5=845个。其中：在Faster R-CNN的9种先验框基础上，将所有的边界框13×13×9=1521进行K-means聚类，最终选择最优聚类参数：k = 5。

基于自定义距离公式的K-means聚类方法
传统K-means聚类方法使用标准的欧氏距离，将导致大的box会比小的box产生更多的误差。而yolo的目的是使得先验框与真实框有更大的IOU值，故自定义距离公式。

距离公式：计算每一个类别的中心值对应的先验框centroids与真实框box的距离。
如下图：IOU=（先验框与真实框的交集）除以（先验框与真实框的并集）。IOU越大，越相关，则距离越小；反之亦然。备注：数据均已采用批标准化处理。

左图： x轴表示Clusters聚类个数（K） 、y轴表示IOU均值、紫色与黑色分别表示两个不同的数据集（形状相似）。
结论：在综合考虑精确度和运算速度后，yolov2最终取k=5个先验框。
右图：k=5个先验框的图形化显示。

（2.3.4）相对偏移量计算 —— 在当前网格中进行相对位置的微调

yolov1：在当前先验框中，进行相对位置的微调。

• 详细过程：已知先验框位置为（x, y, w, h），现在得到的预测边界框的偏移量为（tx, ty, tw, th），即系统判定需要在先验框位置的基础上进行相对位置的偏移，进而可以得到更真实的位置。故需要将预测的偏移量加到先验框中（x+tx, y+ty, w+tw, h+th）。
• 问题：由于模型刚开始训练时，网络参数都是随机初始化，虽然进行了批标准化但是参数的基数比较大，将导致预测的边界框加上偏移量之后到处乱飘。

yolov2：在当前网格中，进行相对位置的微调。
图中参数的详细说明如下：
（1）(Cx, Cy)：表示当前网格的左上角位置坐标。
（2）(tx, ty, tw, th)：表示预测结果在当前网格相对位置的偏移量。
（3） σ(tx)：表示对漂移量 tx 取sigmoid函数，得到（0~1）之间的值。即把预测边框的蓝色中心点约束在蓝色背景的网格内。约束边框位置使得模型更容易学习，且预测更为稳定。
（4）e的tw次方：由于预测结果取的log()对数值，故计算位置时需要反log进行还原。
（5）(bx, by, bw, bh)：表示当前预测结果在特征图位置（即预处理后得到的13×13网格）。

（2.3.5）Fine-Grained Features（细粒度特性）—— 提高对小目标的检测能力

背景：Faster R-CNN共有9种先验框：分三个不同的scale（大中小），每个scale的（h，w）比例分为：1:1、1:2、2:1。
其中：小中大三种尺度的特征图 -> 对应大中小三种尺度的感受野 -> 对应大中小三种尺度的先验框。

缺点：感受野越大，其在原图像中对应的特征图越大，导致其对小尺度目标不敏感。

解决方法：对不同层的特征进行融合。

具体操作：添加一个passthrough Layer，提高对小目标的检测能力。
（1）将高分辨率的浅层特征（26×26×512）进行拆分；
（2）叠加到低分辨率的深层特征（13×13×1024）中；
（3）然后进行特征融合（13×13×3072）；
（4）最后再检测。
备注：在yolov1中，FC起到全局特征融合的作用。

（2.3.6）Multi-Scale多尺度检测（yolov2版） —— 尺度变换

背景：由于实际检测数据的输入图像尺寸都不相同，若都裁剪为相同大小，最后检测结果将有所下降。
限制：

• yolov2只有卷积层，故对输入图像尺寸没有限制。但有范围限制[320, 608]；
• yolov1有全连接层，故输入图像尺寸固定。

具体操作：训练模型每经过一定次数的迭代之后，可以进行输入图像尺度变换。如：每迭代100次，输入图像尺寸大小增加10%。

• 备注1：输入图像尺寸必须可以被32整除。
• 备注2：图像尺寸越大，耗时越长。

三、巅峰之作：yolov3

论文地址：YOLOv3: An Incremental Improvement
官网代码：https://github.com/yjh0410/yolov2-yolov3_PyTorch

yolov3主要针对小目标检测的不足之处做出改进。

（3.1）性能表现

由图可得：yolov3的检测速度和mAP值都强高于其他方法。
参数解读：
（1）x轴表示预测一张图片所需要的时间；
（2）y轴为mAP；
（3）原点的x轴坐标为50

（3.2）网络模型（Darknet-53）

下面分两个部分详解：
（1）详解Darknet-53网络架构；
（2）Darknet-53在yolov3中的实际应用，并详解yolov3模型中的所有网络层。

• Darknet-53网络架构；
  （1）由53个卷积层构成，包括1×1和3×3的卷积层，卷积省时省力速度快效果好，对于分析物体特征最为有效。每个卷积层之后包含一个批量归一化层和一个Leaky ReLU，加入这两个部分的目的是为了防止过拟合。
  （2）没有全连接层。可以输入任意尺寸的图像
  （3）没有池化层。通过控制卷积层conv的步长stride达到下采样的效果。具体操作：需要下采样时stride=2；否则stride=1；
  （4）除此之外，Darknet-53中还使用了类似ResNet结构。
  

• Darknet-53网络架构在yolov3中的实际应用，并详解yolov3模型中的所有网络层。
  
  （1）DBL：由一个卷积层、一个批量归一化层和一个Leaky ReLU组成的基本卷积单元。在Darknet-53中，共有53个这样的DBL，所以称其为Darknet-53。
  （2）res unit（残差单元）：输入图像经过两个DBL后，再与原输入进行特征add，得到与原图像大小维度相同的图像。
  残差单元的目的：使得网络可以提取到更深层的特征，同时避免出现梯度消失或爆炸。残差网络的特点：至少不比原来差。
  （3）res(n)：表示n个res unit。计算公式：resn = Zero Padding + DBL + n × res unit 。
  （4）y1、y2、y3： 分别表示yolov3的三种不同尺度输出（分别对应：大中小感受野）。
  （5）concat1（拼接）：（大中小感受野）将大感受野的特征图像进行上采样，得到与中感受野的特征图像相同大小，然后进行维度拼接，达到多尺度特征融合的目的。为了加强算法对小目标检测的精确度。
  （6）concat2（拼接）： （大中小感受野）将中感受野的特征图像进行上采样，得到与小感受野的特征图像相同大小，然后进行维度拼接，达到多尺度特征融合的目的。 为了加强算法对小目标检测的精确度
  

（3.3）改进之处

（3.3.1）Multi-Scale多尺度检测（yolov3版） —— 上采样+维度拼接

图像分辨率大小直接反映像素数量。分辨率越高，像素数量越多，对细节表现越丰富。

• 前提：在目标检测中，语义信息主要用于区分前景（目标）和背景（非目标）。故不需要太多的信息，且分辨率大反而会降低语义信息。
• 具体操作：在网络预测的最后某些层进行上采样+维度拼接操作。提高对小目标的检测效果
  （详细请看yolov3网络架构）

（3.3.2）多标签分类：softmax()改成logistic()

将yolov2的单标签分类：softmax()改进为yolov3的多标签分类：logistic()。
具体形式：logistic()通过对每个类别都进行二分类，以实现多标签分类。使用sigmoid函数将特征图的预测结果约束在[0, 1]之间，若有一个或多个值大于设定阈值，就认定该目标框所对应的目标属于该类别。多个值称为多标签对象。（如：一个人有woman、person、地球人等多个标签）

四、大神接棒：yolov4

论文地址：YOLOv4: Optimal Speed and Accuracy of Object Detection
官网代码：https://github.com/AlexeyAB/darknet

yolov3发布至今，衍生了各式各样能够提高检测精度的技巧（tricks）。
核心思想：yolov4筛选了其中一些tricks，并加以组合，以及适当创新，形成了yolov4算法，并实现了速度和精度的完美平衡。
备注：虽然有许多技巧可以提高卷积神经网络CNN的准确性，但是某些技巧仅适合在某些模型上运行，或者仅在某些问题上运行，或者仅在小型数据集上运行。
主要调优手段：加权残差连接(WRC)、跨阶段部分连接(CSP)、跨小批量标准化(CmBN)、自对抗训练(SAT)、Mish激活、马赛克数据增强、CmBN、DropBlock正则化、CIoU Loss等等。

（4.1）性能表现

经过一系列的堆料，最终实现了目前最优的实验结果：43.5％的AP(在Tesla V100上，MS COCO数据集的实时速度约为65FPS)。

（4.2）网络模型（CSPDarknet53）

• CSPDarknet53网络在yolov4中的实际应用。

yolov4的CSPDarknet53与yolov3的Darknet-53相比，主要区别：

• （1）将原来的Darknet53与CSPNet进行结合，形成Backbone网络。

• （2）采用SPPNet适应不同尺寸的输入图像大小，且可以增大感受野；

• （3）采用SAM引入空间注意力机制；

• （4）采用PANet充分利用了特征融合；

• （5）激活函数由MIsh替换Leaky ReLU； 在yolov3中，每个卷积层之后包含一个批归一化层和一个Leaky ReLU。而在yolov4的主干网络CSPDarknet53中，使用Mish替换原来的Leaky ReLU。

• CSPDarknet53网络架构：

（4.2.1）跨阶段部分网络（Cross Stage Partial Networks，CSPNet）

• 背景： 2019年，Chien-Yao Wang等人提出CSPNet，主要用来解决网络优化中的重复梯度信息问题，在ImageNet dataset和MS COCO数据集上有很好的测试效果。
• 特点：易于实现，在ResNet、ResNeXt和DenseNet网络结构上都能通用。
• 目的： 实现更丰富的梯度组合，同时减少计算量。

具体方式： 将基本层的特征图分成两部分：11、主干部分继续堆叠原来的残差块；22、支路部分则相当于一个残差边，经过少量处理直接连接到最后。

（4.2.2）空间金字塔池化网络（Spatial Pyramid Pooling Network，SPPNet）

论文地址：Spatial Pyramid Pooling in Deep Convolutional Networks for Visual Recognition

yolov1背景：yolov1训练时的分辨率：224×224；测试时：448×448。
yolov2背景：yolov2保持yolov1的操作不变，但在原训练的基础上又加上了（10个epoch）的448×448高分辨率样本进行微调，使网络特征逐渐适应 448×448 的分辨率；然后再使用 448×448 的样本进行测试，缓解了分辨率突然切换造成的影响。

目的：通过最大池化将不同尺寸的输入图像变得尺寸一致，使得输入图像不再限制于固定尺寸。
优点：增大感受野。

下图是经典的空间金字塔池化层（SPP）。

（4.2.3）空间注意力机制（Spatial Attention Module，SAM）

具体方式： yolov4采用改进的SAM方法
优化历程： CBAM（Convolutional Block AM） -> SAM（Spatial Attention Module） -> 改进的SAM
优化原因：
（1）CBAM计算比较复杂且耗时，而yolo的出发点是速度，故只计算空间位置的注意力机制。
（2）常规的SAM最大池化层和平均池化层分别作用于输入的feature map，得到两组shape相同的feature map，再将结果输入到一个卷积层。过程过于复杂，yolo采取直接卷积进行简化。

• CBAM与SAM的区别
• CBAM：特征图注意力机制（Channel Attention Module）：在Channel维度上，对每一个特征图（channel）加一个权重，然后通过sigmoid得到对应的概率值，最后乘上输入图像，相当于对输入图像的特征图进行加权，即注意力。❤️如：32×32×256，对256个通道进行加权。
• SAM：空间注意力机制（Spatial Attention Module）：在Spatial维度上，对每一个空间位置（Spatial）加一个权重，然后通过sigmoid得到对应的概率值，最后乘上输入图像，相当于对输入图像的所有位置特征进行加权，即注意力。❤️如：32×32×256，对任意空间位置进行加权。

• SAM与改进的SAM的区别

（4.2.4）路径聚合网络（Path Aggregation Network，PANet）

论文地址（FPNet）：Feature Pyramid Networks for Object Detection
论文地址（PANet）：Path Aggregation Network for Instance Segmentation

背景： PANet发表于CVPR2018，其是COCO2017实例分割比赛的冠军，也是目标检测比赛的第二名。
具体方式： yolov4采用改进的PANet方法
优化历程： FPNet（Feature Pyramid Networks） -> PANet（Path Aggregation Network） -> 改进的PAN
优化原因：

• （1）FPNet网络采取自上而下的方式，将高层特征逐层与中高层、中层、中底层、低层特征进行融合。缺点是无法自下而上融合，而PANet的优化了该部分不足，详见示意图的（b）部分。
• （2）PANet采用特征相加的融合方式，而yolo采用特征拼接的融合方式。加法可以得到一个加强版的特征图，但特征权重不大于1，而拼接可能得到大于1的特征图。

FPNet示意图

PANet示意图
图中分为四个部分：

• （a）FPNet：通过 融合高层特征 来提升目标检测的效果。
• （b）Bottom-up Path Augmentation：通过 融合低层特征（边缘形状等）来提升目标检测的效果。
• （c）Adaptive Feature Pooling：采用 拼接特征融合。详见下图：拼接相比加法，特征更明显，可以提高检测效果。
• （d）Fully-connected Fusion

（4.2.5）Mish激活函数

论文地址：Mish: A Self Regularized Non-Monotonic Activation Function

• 特点：Mish在负值的时候并不是完全截断，允许比较小的负梯度流入。
• 结论：网络层数越多，ReLU激活函数精度迅速下降，而Mish激活函数在训练稳定性、平均准确率(1%-2.8%)、峰值准确率(1.2% - 3.6%)等方面都有全面的提高。
  22个激活函数

（4.3）改进之处

BackBone训练策略：数据增强、自对抗训练、DropBlock正则化、类标签平滑、CIoU损失函数、DIoU-NMS等。

（4.3.1）Mosaic数据增强 + CutMix数据增强

CutMix论文： https://arxiv.org/pdf/1905.04899v2.pdf

最大特点：使得yolov4只通过单CPU就能完成训练，不用再担心设备问题。
具体方式：基于CutMix方法对所有图像进行处理，然后基于Mosaic方法随机取四张图像拼接为一张图像。CutMix方法的详细过程如下：

由图可得（左）：CutMix表现最优。

• （1）ResNet-50：采用常规的数据增强方法。如：调整亮度、饱和度、对比度；随机缩放、旋转、翻转等。
• （2）Mixup：将猫狗两张图像进行图像融合，其中狗和猫的权重参数都为0.5，故标签概率值都为0.5。
• （3）Cutout：随机删除/遮挡一个区域。
• （4）CutMix：随机删除/遮挡一个区域，并将图像A的一部分（patch）粘贴到图像B上，分类概率按A与B的patch面积比例进行分配。如：将狗头替换为猫头，其中狗和猫的权重参数分别为0.6、0.4，故标签softmax的概率值分别为0.6、0.4。

备注1：softmax能够得到当前输入属于各个类别的概率。
备注2：标签（分类结果）会根据A与B的patch面积比例进行分配，且采用加权求和的方式计算损失。

数据增强的其余方法扩展：

（4.3.2）自对抗训练（Self-Adversarial Training，SAT）

• 在第一阶段：在原始图像的基础上，添加噪音并设置权重阈值，让神经网络对自身进行对抗性攻击训练。如下图：

• 在第二阶段：用正常的方法训练神经网络去检测目标。
  备注：详细可参考对抗攻击的快速梯度符号法（FGSM）。

（4.3.3）改进的Dropout（DropBlock）

• b图：Dropout是随机删除一些神经元（如：a图的红点），但对于整张图来说，效果并不明显。比如：眼睛被删除，我们仍然可以通过眼睛的周边特征（眼角、眼圈等）去近似识别。
• c图：DropBlock是随机删除一大块神经元。 如：将狗头的左耳全部删除。

（4.3.4）标签平滑（Label Smoothing）

标签值绝对化：只有0和1两个值。

• 问题：该现象将导致神经网络在训练过程中，自我良好，从而过拟合。
• 具体方式：将绝对化标签值进行平滑，将[0，1]变换为[0.05，0.95]。即分类结果具有一定的模糊化，使得网络的抗过拟合能力增强。

左图（使用前）：分类结果相对不错，但各类别之间存在一定的误差；
右图（使用后）：分类结果比较好，簇内距离变小，簇间距离变大。

（4.3.5）CIoU损失函数

效果：采用CIoU Loss损失函数，使得预测框回归的速度和精度更高一些。
Loss优化过程：经典IOU损失 -> GIOU损失（Generalized IOU） -> DIOU损失（Distance IOU） -> CIOU损失
优缺点：

• IoU_Loss：考虑检测框和目标框重叠面积。
• GIoU_Loss：在IOU的基础上，解决边界框不重合时的问题。
• DIoU_Loss：在IOU和GIOU的基础上，考虑边界框中心点距离的信息。
• CIoU_Loss：在DIOU的基础上，考虑边界框长宽比的尺度信息。

（4.3.6）DIoU-NMS

• 在实际应用场景中，当两个不同物体重叠时，由于IOU值比较大，经过NMS处理后可能只剩下一个检测框，进而导致漏检。
• 而DIOU-NMS 不仅考虑IOU，还考虑两个框中心点之间的距离。若两个框之间IOU比较大，且两个框的距离也比较大时，则认为是两个物体框。

在检测结果中，若存在多个检测框的IOU大于置信度阈值，方法如下：
（1）NMS非极大值抑制：只取IoU最大值对应的框。
（2）DIoU-NMS：计算高置信度候选框（M）与其余所有框（Bi）的中心点距离。若距离较大，则提取多个目标框。优点：对重叠目标的识别效果更好。

其中：s(i)是分类置信度，ε为NMS阈值，M为最高置信度的框。
b, b(gt)分别表示预测框和真实框的中心点；
ρ表示计算两个中心点的欧式距离。
c表示能够同时包含预测框和真实框的最小外接矩形的对角线长度。

（3）SOFT-NMS：对于不满足要求，且与最大置信度对应的检测框高度重叠的检测框，不直接删除，而采取降低置信度的方式。优点：召回率更高

五、横空出世：YOLOv5

论文下载：yolov5没有论文
官网代码：https://github.com/ultralytics/yolov5

• 2020 年 2 月YOLO之父Joseph Redmon宣布退出计算机视觉研究领域。
• 2020 年 4 月 23 日YOLOv4发布。
• 2020 年 6 月 10 日YOLOv5发布。

版本特点
（1）v4与v5两个版本的改进都属于多种技术堆积版本，且两个版本差异不大。
（2）一直在更新中，且更新较快（平均2~3个月一次）。

备注：v5对应的GitHub上有详细的项目说明。
备注：由于v5项目的训练数据集过于庞大，故可以选择自己的数据集 or 小样本数据集学习。
Roboflow：开源自动驾驶数据集。该数据集已经画好边界框；下载格式：YOLO v5 PyTorch。

（5.1）性能表现

yolov5是在COCO数据集上预训练的系列模型，包含5个模型：YOLOv5n、YOLOv5s、YOLOv5m、YOLOv5l、YOLO5x。
不同的变体模型使得YOLOv5能很好的在精度和速度中权衡，方便用户选择。

（5.2）网络模型（YOLOv5s）

模块1（CBL-CBL）：由Conv + BN + Leaky_relu组成。
模块2（Res unit）：借鉴ResNet网络中的残差结构，用来构建深层网络，CBM是残差模块中的子模块。
模块3（CSP1_X）：借鉴CSPNet网络结构，该模块由一个CBL + Res unint + 卷积层，最后Concat组成。
模块4（CSP2_X）：借鉴CSPNet网络结构，该模块由两个CBL + Res unint + 卷积层，最后Concat组成。
模块5（Focus结构）：首先将多个slice结果进行拼接Concat，然后将其送入CBL模块中。
模块6（SPP）：采用1×1、5×5、9×9和13×13的最大池化方式，进行多尺度特征融合。

（5.2.1）Backbone（特征提取模块）

由下向上：

• Backbone（骨干网络）：用于提取图像特征的网络 。采用通用模型resnet、VGG等。
  • 使用方式：将通用模型作为backbone时，直接加载预训练模型的参数，再拼接上自定义网络。
  • 训练方法：对迁移后的预训练模型进行微调，使其更适合我们自己的任务。
• Neck（脖子）：用于更好的使用backbone提取的特征。
• Bottleneck（瓶颈）：输出维度比输入维度小（如：身体到脖子，由宽到细）。
  • 常用参数：bottle_num=256，表示网络的输出维度是256，但输入维度可能是1024。
• Head（头部）：获取模型的输出特征，并进行预测

Backbone结构主要分成三类：
（1）CNNs结构包括：非轻量化CNNs + 轻量化CNNs。
（2）Transformer结构
（3）CNNs+Transformer结构

深度学习框架-Backbone汇总（超详细讲解）
❤️ 一、（非轻量化CNNs）Backbone结构

1. LeNet5：(1998)
2. AlexNet：(2012)
3. VGG：(2014)
4. GoogLeNet（InceptionNet）系列：Inception-v1（GoogleNet）: (2015)、Inception-v2 （2015，BN-inception）、Inception-v3 (2015)、Inception-v4: (2017)、Inception-resnet-v2： (2017)
5. Resnet： (2016)
6. ResNet变种：ResNeXt （2016）、ResNeSt（2020）、Res2Net（2019）、DenseNet （2017）
7. DPNet：(2017)
8. NasNet：(2018)
9. SENet及其变体SKNet：SENet（2017）、SKNet（2019）
10. EfficientNet 系列：EfficientNet-V1(2019)、EfficientNet-V2(2021)
11. Darknet系列：Darknet-19 （2016， YOLO v2 的 backbone）、Darknet-53 （2018， YOLOv3的 backbone）
12. DLA (2018, Deep Layer Aggregation)

❤️ 二、（轻量化CNNs）Backbone结构

1. SqueezeNet：（2016）
2. MobileNet-v1：（2017）
3. XCeption：（2017, 极致的 Inception）
4. MobileNet V2：（2018）
5. ShuffleNet-v1：(2018)
6. ShuffleNet-v2：(2018)
7. MnasNet：（2019）
8. MobileNet V3 （2019）
9. CondenseNet（2017）
10. ESPNet系列：ESPNet （2018）、ESPNetv2 （2018）
11. ChannelNets
12. PeleeNet
13. IGC系列：IGCV1、IGCV2、IGCV3
14. FBNet系列：FBNet、FBNetV2、FBNetV3
15. GhostNet
16. WeightNet
17. MicroNet

❤️ 三、 ViT（Vision Transformer ）Backbone结构

1. ViT-H/14 和 ViT-L/16（2020）（Vision Transformer，ViT）
2. Swin Transformer（2021）
3. PVT（2021, Pyramid Vision Transformer）
4. MPViT （CVPR 2022，Multi-path Vision Transformer, 多路径 Vision Transformer）
5. EdgeViTs （CVPR 2022，轻量级视觉Transformer）

❤️ 四、（CNNs+Transformer / Attention）Backbone结构

1. CoAtNet（2021）
2. BoTNet（2021）

（5.2.1）EfficientNet

EfficientNet网络详解

（5.3）改进之处

深入浅出Yolo系列之Yolov5核心基础知识完整讲解

六、昙花一现：YOLOv6

手把手教你运行YOLOv6（超详细）

yolov6与v7相差不到十天，区别不大。

七、谁与争锋：YOLOv7

论文下载：YOLOv7: Trainable bag-of-freebies sets new state-of-the-art for real-time object
detectors
代码地址：https://gitcode.net/mirrors/WongKinYiu/yolov7

在项目实战中，只研究yolov5或yolov7对应的项目即可，yolov3不要再研究了。因为现在的torch版本是高版本，而v3当时是低版本。

（7.1）性能表现

（7.2）网络模型

（7.3）改进之处

（7.3.1）RepVGG（最大改进）

• 背景

  • 2014年：牛津大学著名研究组VGG (Visual Geometry Group)， 提出VGGNet。
  • 2021年：清华大学、旷视科技以及香港科技大学等机构，基于VGG网络提出了RepVGG网络。

• 效果
  RepVGG无论是在精度还是速度上都已经超过了 ResNet、EffcientNet 以及 ResNeXt 等网络。

核心：结构重参数化

RepVGG采用结构重参数化（structural re-parameterization）的方法，详细过程如下：
（1）训练时，使用ResNet-style的多分支模型（特点：增加模型的表征能力）
（2）测试时，转化成VGG-style的单线路模型（特点：速度更快、更省内存并且更加的灵活）

备注：训练与测试的网络结构是可以不一样的。

核心操作：在测试时，将训练时的多分支模型进行合并得到一条单线路模型。即对1 x 1卷积 + BN（批标准化）与3 x 3卷积进行合并。RepVGG网络：结构重参数化 - 详细过程
详细如下：

• （1）将1x1卷积转换成3x3卷积
• （2）将BN和3x3卷积进行融合，转换成3x3卷积
• （3）多分支融合

备注1：yolo的核心是检测速度快，而不是检测精度高。
备注2：在yolo六个版本的优化后，网络层只留下了3 x 3卷积、1 x 1卷积和BN（每一个网络层之后都进行批标准化）。
备注3：VGG在2014年告诉我们，3 x 3卷积是计算速度最快的，优化最好的。

备注4：黄色模块是激活函数ReLU，蓝色模块是卷积层。
备注5：单支路模型可以节约内存。

1、将1x1卷积转换成3x3卷积

具体过程：
（1）取1x1卷积（卷积核：1个参数），设置padding=1（即在其周围填补一圈全为零的元素）
（2）设置原始输入的padding=1
（3）输入与卷积核进行卷积操作，得到3x3的卷积层。。
注意：原始输入和1x1卷积都需要设置padding=1。

2、将BN和3x3卷积进行融合，转换成3x3卷积

通俗来讲：将BN公式拆解为 一元二次方程（y1 = k1* x1 + b1）；然后与损失函数（y2 = k2* x2 + b2）进行合并得到新的方程（y3 = k3* x3 + b3）。

3、多分支融合

具体过程：（1）将1x1卷积 + BN全部转换为3x3卷积，然后与3x3卷积进行合并，得到一个3x3卷积。

（7.3.2）正样本分配策略

主要目的：为了得到更多的正样本。

• 备注1：正样本（anchor）即先验框；负样本即背景；真实框（Ground Truth，GT）即检测目标
• 备注2：先验框在不同的yolo目标检测模型中，又有不同的叫法。如：anchor（锚框）、bounding box（边界框）。叫法不同，但都是同一个概念。

具体计算过程分两个步骤：

• 步骤一（提取anchor）：

（1）计算anchor的中心点位置
（2）中心点位置在当前网格进行上、下、左、右四个方向偏移，偏移大小为0.5。
（3）取当前网格 + 四个方向的中心点所对应的两个网格。共三个网格作为正样本（一个黑色点 + 两个蓝色点）
备注：对漂移量取sigmoid函数，得到（0 ~ 1）之间的值。

• 步骤二（筛选anchor）：

筛选条件一：GT和anchor的长款比范围：[0.25，4] 。
筛选条件二：GT和anchor的IOU要大于自定义阈值。
筛选条件三：GT和anchor的类别预测损失要大于自定义阈值。
计算过程：三个条件分别筛选出满足要求的anchor，然后基于权重计算损失Loss，并进行损失TOPK排序，最终只提取满足要求的K个anchor。
备注：Loss = (权重系数1 * 条件一) + (权重系数2 * 条件二) + (权重系数3 * 条件三)

举例：以下是具体过程（筛选anchor）中，条件二的损失计算。

• 备注1：计算GT对应的anchor数量（损失计算得到的结果）：向下取整。
• 备注2：若一个GT同时和多个anchor高度匹配，则按照损失计算原则，只能匹配损失最小对应的一个anchor。

（7.3.3）相对偏移量计算（yolov5/v7版）

（7.3.4）辅助头（auxiliary head）+主头（lead head）

详细请看v7论文
图5：辅助头用粗线，主头用细线。与常规模型(a)相比，模型(b)具有辅助头。与通常的独立标签分配器(c)不同，我们提出主头引导标签分配器(d)以及由粗至细的主头引导标签分配器(e)。

• 计算：通过主头的预测值和真实值进行标签分配器优化，然后同时得到主头和辅助头的训练标签。
• 备注：详细的从粗到细的实现方法和约束设计细节将在附录中详细阐述。

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参考文献

1.YOLO学习：召回率Recall、精确率Precision、IoU、Map
2.YOLOv1到YOLOv3的演变过程及每个算法详解
3.YOLO系列总结：YOLOv1, YOLOv2, YOLOv3, YOLOv4, YOLOv5, YOLOX
4.YOLO系列详解：YOLOv1、YOLOv2、YOLOv3、YOLOv4、YOLOv5
5.YOLO系列算法精讲：从yolov1至yolov5的进阶之路（2万字超全整理）
6.深入浅出Yolo系列：Yolov3、Yolov4、Yolov5、YoloX（超多-免费数据集）
7.深度学习框架-Backbone汇总（超详细讲解）
8.深入浅出Yolo系列之Yolov5核心基础知识完整讲解
9.YOLOv7 RepVGG网络：结构重参数化 - 详细过程
10.目标检测算法——YOLOV7——详解

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实战一：目标检测：教你利用yolov5训练自己的目标检测模型
实战二：认真总结6000字Yolov5保姆级教程（2022.06.28全新版本v6.1）
实战三：利用yolov5实现口罩佩戴检测算法(非常详细)
实战四：YOLOv7（目标检测）入门教程详解—检测，推理，训练
❤️ roboflow官网：开源自动驾驶数据集（Computer Vision Datasets）❤️