sheng的学习笔记-AI-YOLO算法，目标检测

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目录

目标定位（Object localization）

定义

原理图

具体做法：

输出向量

 图片中没有检测对象的样例

损失函数

​编辑 特征点检测（Landmark detection）

定义：

具体做法： 

目标检测（Object detection）

滑动窗口目标检测 

缺陷：

滑动窗口的卷积实现（Convolutional implementation of sliding windows）

 全连接层转化为卷积层

通过卷积实现滑动窗口对象检测算法

总结：

Bounding Box预测（Bounding box predictions）

YOLO算法（You only look once）

原理

确定边界框 

 交并比（Intersection over union）

非极大值抑制（Non-max suppression）

Anchor Boxes

候选区域（选修）（Region proposals (Optional)）-R-CNN算法

完整的算法

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目标定位（Object localization）

定义

图片分类任务：判断其中的对象是不是汽车

定位分类：在图片中标记出它的位置，用边框或红色方框把汽车圈起来，这就是定位分类问题。其中“定位”的意思是判断汽车在图片中的具体位置。

通常只有一个较大的对象位于图片中间位置，我们要对它进行识别和定位。而在对象检测问题中，图片可以含有多个对象，甚至单张图片中会有多个不同分类的对象。因此，图片分类的思路可以帮助学习分类定位，而对象定位的思路又有助于学习对象检测

图片分类的例子：输入一张图片到多层卷积神经网络。这就是卷积神经网络，它会输出一个特征向量，并反馈给softmax单元来预测图片类型。

原理图

如果你正在构建汽车自动驾驶系统，那么对象可能包括以下几类：行人、汽车、摩托车和背景，这意味着图片中不含有前三种对象，也就是说图片中没有行人、汽车和摩托车，输出结果会是背景对象，这四个分类就是softmax函数可能输出的结果。

具体做法：

输出向量

我们可以让神经网络多输出几个单元，输出一个边界框。具体说就是让神经网络再多输出4个数字，标记bx,by,bh,bw，这四个数字是被检测对象的边界框的参数化表示。

 图片中没有检测对象的样例

 

损失函数

 特征点检测（Landmark detection）

定义：

也许除了这四个特征点，你还想得到更多的特征点输出值，这些（图中眼眶上的红色特征点）都是眼睛的特征点，你还可以根据嘴部的关键点输出值来确定嘴的形状，从而判断人物是在微笑还是皱眉，也可以提取鼻子周围的关键特征点。为了便于说明，你可以设定特征点的个数，假设脸部有64个特征点，有些点甚至可以帮助你定义脸部轮廓或下颌轮廓。选定特征点个数，并生成包含这些特征点的标签训练集，然后利用神经网络输出脸部关键特征点的位置。

具体做法： 

目标检测（Object detection）

学过了对象定位和特征点检测，今天我们来构建一个对象检测算法。这节课，我们将学习如何通过卷积网络进行对象检测，采用的是基于滑动窗口的目标检测算法。

滑动窗口目标检测 

假设这是一张测试图片，首先选定一个特定大小的窗口，比如图片下方这个窗口，将这个红色小方块输入卷积神经网络，卷积网络开始进行预测，即判断红色方框内有没有汽车。

滑动窗口目标检测算法接下来会继续处理第二个图像，即红色方框稍向右滑动之后的区域，并输入给卷积网络，因此输入给卷积网络的只有红色方框内的区域，再次运行卷积网络，然后处理第三个图像，依次重复操作，直到这个窗口滑过图像的每一个角落。

为了滑动得更快，我这里选用的步幅比较大，思路是以固定步幅移动窗口，遍历图像的每个区域，把这些剪切后的小图像输入卷积网络，对每个位置按0或1进行分类，这就是所谓的图像滑动窗口操作。

重复上述操作，不过这次我们选择一个更大的窗口，截取更大的区域，并输入给卷积神经网络处理，你可以根据卷积网络对输入大小调整这个区域，然后输入给卷积网络，输出0或1。

再以某个固定步幅滑动窗口，重复以上操作，遍历整个图像，输出结果。

然后第三次重复操作，这次选用更大的窗口。

如果你这样做，不论汽车在图片的什么位置，总有一个窗口可以检测到它。

比如，将这个窗口（编号1）输入卷积网络，希望卷积网络对该输入区域的输出结果为1，说明网络检测到图上有辆车。

这种算法叫作滑动窗口目标检测，因为我们以某个步幅滑动这些方框窗口遍历整张图片，对这些方形区域进行分类，判断里面有没有汽车。

缺陷：

滑动窗口目标检测算法也有很明显的缺点，就是计算成本，因为你在图片中剪切出太多小方块，卷积网络要一个个地处理。如果你选用的步幅很大，显然会减少输入卷积网络的窗口个数，但是粗糙间隔尺寸可能会影响性能。反之，如果采用小粒度或小步幅，传递给卷积网络的小窗口会特别多，这意味着超高的计算成本。

滑动窗口的卷积实现（Convolutional implementation of sliding windows）

为了构建滑动窗口的卷积应用，首先要知道如何把神经网络的全连接层转化成卷积层

假设对象检测算法输入一个14×14×3的图像。在这里过滤器大小为5×5，数量是16，14×14×3的图像在过滤器处理之后映射为10×10×16。然后通过参数为2×2的最大池化操作，图像减小到5×5×16。然后添加一个连接400个单元的全连接层，接着再添加一个全连接层，最后通过softmax单元输出y。为了跟下图区分开，我先做一点改动，用4个数字来表示y，它们分别对应softmax单元所输出的4个分类出现的概率。这4个分类可以是行人、汽车、摩托车和背景或其它对象。 

 全连接层转化为卷积层

画一个这样的卷积网络，它的前几层和之前的一样，而对于下一层，也就是这个全连接层，我们可以用5×5的过滤器来实现，数量是400个（编号1所示），输入图像大小为5×5×16，用5×5的过滤器对它进行卷积操作，过滤器实际上是5×5×16，因为在卷积过程中，过滤器会遍历这16个通道，所以这两处的通道数量必须保持一致，输出结果为1×1。假设应用400个这样的5×5×16过滤器，输出维度就是1×1×400，我们不再把它看作一个含有400个节点的集合，而是一个1×1×400的输出层。从数学角度看，它和全连接层是一样的，因为这400个节点中每个节点都有一个5×5×16维度的过滤器，所以每个值都是上一层这些5×5×16激活值经过某个任意线性函数的输出结果。

我们再添加另外一个卷积层（编号2所示），这里用的是1×1卷积，假设有400个1×1的过滤器，在这400个过滤器的作用下，下一层的维度是1×1×400，它其实就是上个网络中的这一全连接层。最后经由1×1过滤器的处理，得到一个softmax激活值，通过卷积网络，我们最终得到这个1×1×4的输出层，而不是这4个数字（编号3所示）。

以上就是用卷积层代替全连接层的过程，结果这几个单元集变成了1×1×400和1×1×4的维度

通过卷积实现滑动窗口对象检测算法

假设向滑动窗口卷积网络输入14×14×3的图片，为了简化演示和计算过程，这里我们依然用14×14的小图片。和前面一样，神经网络最后的输出层，即softmax单元的输出是1×1×4，我画得比较简单，严格来说，14×14×3应该是一个长方体，第二个10×10×16也是一个长方体，但为了方便，我只画了正面。所以，对于1×1×400的这个输出层，我也只画了它1×1的那一面，所以这里显示的都是平面图，而不是3D图像

假设输入给卷积网络的图片大小是14×14×3，测试集图片是16×16×3，现在给这个输入图片加上黄色条块，在最初的滑动窗口算法中，你会把这片蓝色区域输入卷积网络（红色笔标记）生成0或1分类。接着滑动窗口，步幅为2个像素，向右滑动2个像素，将这个绿框区域输入给卷积网络，运行整个卷积网络，得到另外一个标签0或1。继续将这个橘色区域输入给卷积网络，卷积后得到另一个标签，最后对右下方的紫色区域进行最后一次卷积操作。我们在这个16×16×3的小图像上滑动窗口，卷积网络运行了4次，于是输出了了4个标签

结果发现，这4次卷积操作中很多计算都是重复的。所以执行滑动窗口的卷积时使得卷积网络在这4次前向传播过程中共享很多计算，尤其是在这一步操作中（编号1），卷积网络运行同样的参数，使得相同的5×5×16过滤器进行卷积操作，得到12×12×16的输出层。然后执行同样的最大池化（编号2），输出结果6×6×16。照旧应用400个5×5的过滤器（编号3），得到一个2×2×400的输出层，现在输出层为2×2×400，而不是1×1×400。应用1×1过滤器（编号4）得到另一个2×2×400的输出层。再做一次全连接的操作（编号5），最终得到2×2×4的输出层，而不是1×1×4。最终，在输出层这4个子方块中，蓝色的是图像左上部分14×14的输出（红色箭头标识），右上角方块是图像右上部分（绿色箭头标识）的对应输出，左下角方块是输入层左下角（橘色箭头标识），也就是这个14×14区域经过卷积网络处理后的结果，同样，右下角这个方块是卷积网络处理输入层右下角14×14区域(紫色箭头标识)的结果

如果你想了解具体的计算步骤，以绿色方块为例，假设你剪切出这块区域（编号1），传递给卷积网络，第一层的激活值就是这块区域（编号2），最大池化后的下一层的激活值是这块区域（编号3），这块区域对应着后面几层输出的右上角方块（编号4，5，6）。

所以该卷积操作的原理是我们不需要把输入图像分割成四个子集，分别执行前向传播，而是把它们作为一张图片输入给卷积网络进行计算，其中的公共区域可以共享很多计算，就像这里我们看到的这个4个14×14的方块一样。

下面我们再看一个更大的图片样本，假如对一个28×28×3的图片应用滑动窗口操作，如果以同样的方式运行前向传播，最后得到8×8×4的结果。跟上一个范例一样，以14×14区域滑动窗口，首先在这个区域应用滑动窗口，其结果对应输出层的左上角部分。接着以大小为2的步幅不断地向右移动窗口，直到第8个单元格，得到输出层的第一行。然后向图片下方移动，最终输出这个8×8×4的结果。因为最大池化参数为2，相当于以大小为2的步幅在原始图片上应用神经网络。

总结：

总结一下滑动窗口的实现过程，在图片上剪切出一块区域，假设它的大小是14×14，把它输入到卷积网络。继续输入下一块区域，大小同样是14×14，重复操作，直到某个区域识别到汽车。

但是正如在前一页所看到的，我们不能依靠连续的卷积操作来识别图片中的汽车，比如，我们可以对大小为28×28的整张图片进行卷积操作，一次得到所有预测值，如果足够幸运，神经网络便可以识别出汽车的位置。

不过这种算法仍然存在一个缺点，就是边界框的位置可能不够准确，在 Bounding Box预测 中解决这个问题

Bounding Box预测（Bounding box predictions）

滑动窗口法的卷积实现，这个算法效率更高，但仍然存在问题，不能输出最精准的边界框。在这个视频中，我们看看如何得到更精准的边界框

在滑动窗口法中，你取这些离散的位置集合，然后在它们上运行分类器，在这种情况下，这些边界框没有一个能完美匹配汽车位置，也许这个框（编号1）是最匹配的了。还有看起来这个真实值，最完美的边界框甚至不是方形，稍微有点长方形（红色方框所示），长宽比有点向水平方向延伸，有没有办法让这个算法输出更精准的边界框呢？

其中一个能得到更精准边界框的算法是YOLO算法，YOLO(You only look once)意思是你只看一次

YOLO算法（You only look once）

事实上YOLO算法有一个好处，也是它受欢迎的原因，因为这是一个卷积实现，实际上它的运行速度非常快，可以达到实时识别

原理

 

 所以对于这里9个格子中任何一个，你都会得到一个8维输出向量，因为这里是3×3的网格，所以有9个格子，总的输出尺寸是3×3×8，所以目标输出是3×3×8。因为这里有3×3格子，然后对于每个格子，你都有一个8维向量，所以目标输出尺寸是3×3×8。

对于这个例子中，左上格子是1×1×8，对应的是9个格子中左上格子的输出向量。所以对于这3×3中每一个位置而言，对于这9个格子，每个都对应一个8维输出目标向量y。所以总的目标输出，这个图片的输出标签尺寸就是3×3×8

如果你现在要训练一个输入为100×100×3的神经网络，现在这是输入图像，然后你有一个普通的卷积网络，卷积层，最大池化层等等，最后你会有这个，选择卷积层和最大池化层，这样最后就映射到一个3×3×8输出尺寸。所以你要做的是，有一个输入x，就是这样的输入图像，然后你有这些3×3×8的目标标签y。当你用反向传播训练神经网络时，将任意输入x映射到这类输出向量y。

所以这个算法的优点在于神经网络可以输出精确的边界框，所以测试的时候，你做的是喂入输入图像x，然后跑正向传播，直到你得到这个输出y。然后对于这里3×3位置对应的9个输出，我们在输出中展示过的，你就可以读出1或0（编号1位置），你就知道9个位置之一有个对象。如果那里有个对象，那个对象是什么（编号3位置），还有格子中这个对象的边界框是什么（编号2位置）。只要每个格子中对象数目没有超过1个，这个算法应该是没问题的。一个格子中存在多个对象的问题，我们稍后再讨论。但实践中，我们这里用的是比较小的3×3网格，实践中你可能会使用更精细的19×19网格，所以输出就是19×19×8。这样的网格精细得多，那么多个对象分配到同一个格子得概率就小得多。

重申一下，把对象分配到一个格子的过程是，你观察对象的中点，然后将这个对象分配到其中点所在的格子，所以即使对象可以横跨多个格子，也只会被分配到9个格子其中之一，就是3×3网络的其中一个格子，或者19×19网络的其中一个格子。在19×19网格中，两个对象的中点（图中蓝色点所示）处于同一个格子的概率就会更低。

所以要注意，首先这和图像分类和定位算法非常像，我们在本周第一节课讲过的，就是它显式地输出边界框坐标，所以这能让神经网络输出边界框，可以具有任意宽高比，并且能输出更精确的坐标，不会受到滑动窗口分类器的步长大小限制。其次，这是一个卷积实现，你并没有在3×3网格上跑9次算法，或者，如果你用的是19×19的网格，19平方是361次，所以你不需要让同一个算法跑361次。相反，这是单次卷积实现，但你使用了一个卷积网络，有很多共享计算步骤，在处理这3×3计算中很多计算步骤是共享的，或者你的19×19的网格，所以这个算法效率很高。

确定边界框 

 交并比（Intersection over union）

用于判断对象检测算法运作良好

在对象检测任务中，你希望能够同时定位对象，所以如果实际边界框是这样的，你的算法给出这个紫色的边界框，那么这个结果是好还是坏？所以交并比（loU）函数做的是计算两个边界框交集和并集之比。两个边界框的并集是这个区域，就是属于包含两个边界框区域（绿色阴影表示区域），而交集就是这个比较小的区域（橙色阴影表示区域），那么交并比就是交集的大小，这个橙色阴影面积，然后除以绿色阴影的并集面积。

所以这是衡量定位精确度的一种方式，你只需要统计算法正确检测和定位对象的次数，你就可以用这样的定义判断对象定位是否准确。再次，0.5是人为约定，没有特别深的理论依据，如果你想更严格一点，可以把阈值定为0.6。有时我看到更严格的标准，比如0.6甚至0.7，但很少见到有人将阈值降到0.5以下。

人们定义loU这个概念是为了评价你的对象定位算法是否精准，但更一般地说，loU衡量了两个边界框重叠地相对大小。如果你有两个边界框，你可以计算交集，计算并集，然后求两个数值的比值，所以这也可以判断两个边界框是否相似

非极大值抑制（Non-max suppression）

到目前为止你们学到的对象检测中的一个问题是，你的算法可能对同一个对象做出多次检测，所以算法不是对某个对象检测出一次，而是检测出多次。非极大值抑制这个方法可以确保你的算法对每个对象只检测一次，我们讲一个例子。

假设你需要在这张图片里检测行人和汽车，你可能会在上面放个19×19网格，理论上这辆车只有一个中点，所以它应该只被分配到一个格子里，左边的车子也只有一个中点，所以理论上应该只有一个格子做出有车的预测。

实践中当你运行对象分类和定位算法时，对于每个格子都运行一次，所以这个格子（编号1）可能会认为这辆车中点应该在格子内部，这几个格子（编号2、3）也会这么认为。对于左边的车子也一样，所以不仅仅是这个格子，如果这是你们以前见过的图像，不仅这个格（编号4）子会认为它里面有车，也许这个格子（编号5）和这个格子（编号6）也会，也许其他格子也会这么认为，觉得它们格子内有车。

因为你要在361个格子上都运行一次图像检测和定位算法，那么可能很多格子都会举手说我的pc，我这个格子里有车的概率很高，而不是361个格子中仅有两个格子会报告它们检测出一个对象。所以当你运行算法的时候，最后可能会对同一个对象做出多次检测，所以非极大值抑制做的就是清理这些检测结果。这样一辆车只检测一次，而不是每辆车都触发多次检测。

接下来，逐一审视剩下的矩形，找出概率最高，pc最高的一个，在这种情况下是0.8，我们就认为这里检测出一辆车（左边车辆），然后非极大值抑制算法就会去掉其他loU值很高的矩形。所以现在每个矩形都会被高亮显示或者变暗，如果你直接抛弃变暗的矩形，那就剩下高亮显示的那些，这就是最后得到的两个预测结果。

所以这就是非极大值抑制，非最大值意味着你只输出概率最大的分类结果，但抑制很接近，但不是最大的其他预测结果，所以这方法叫做非极大值抑制。

Anchor Boxes

到目前为止，对象检测中存在的一个问题是每个格子只能检测出一个对象，如果你想让一个格子检测出多个对象，你可以这么做，就是使用anchor box这个概念

而anchor box的思路是，这样子，预先定义两个不同形状的anchor box，或者anchor box形状，你要做的是把预测结果和这两个anchor box关联起来。一般来说，你可能会用更多的anchor box，可能要5个甚至更多，但对于这个视频，我们就用两个anchor box，这样介绍起来简单一些。

现在还有一些额外的细节，如果你有两个anchor box，但在同一个格子中有三个对象，这种情况算法处理不好，你希望这种情况不会发生，但如果真的发生了，这个算法并没有很好的处理办法，对于这种情况，我们就引入一些打破僵局的默认手段。还有这种情况，两个对象都分配到一个格子中，而且它们的anchor box形状也一样，这是算法处理不好的另一种情况，你需要引入一些打破僵局的默认手段，专门处理这种情况，希望你的数据集里不会出现这种情况，其实出现的情况不多，所以对性能的影响应该不会很大。

人们一般手工指定anchor box形状，你可以选择5到10个anchor box形状，覆盖到多种不同的形状，可以涵盖你想要检测的对象的各种形状。还有一个更高级的版本，我就简单说一句，你们如果接触过一些机器学习，可能知道后期YOLO论文中有更好的做法，就是所谓的k-平均算法，可以将两类对象形状聚类，如果我们用它来选择一组anchor box，选择最具有代表性的一组anchor box，可以代表你试图检测的十几个对象类别，但这其实是自动选择anchor box的高级方法。如果你就人工选择一些形状，合理的考虑到所有对象的形状，你预计会检测的很高很瘦或者很宽很胖的对象，这应该也不难做

候选区域（选修）（Region proposals (Optional)）-R-CNN算法

你们还记得滑动窗法吧，你使用训练过的分类器，在这些窗口中全部运行一遍，然后运行一个检测器，看看里面是否有车辆，行人和摩托车。现在你也可以运行一下卷积算法，这个算法的其中一个缺点是，它在显然没有任何对象的区域浪费时间，对吧。

所以这里这个矩形区域（编号1）基本是空的，显然没有什么需要分类的东西。也许算法会在这个矩形上（编号2）运行，而你知道上面没有什么有趣的东西。

R-CNN的算法，意思是带区域的卷积网络，或者说带区域的CNN。这个算法尝试选出一些区域，在这些区域上运行卷积网络分类器是有意义的，所以这里不再针对每个滑动窗运行检测算法，而是只选择一些窗口，在少数窗口上运行卷积网络分类器。

选出候选区域的方法是运行图像分割算法，分割的结果是下边的图像，为了找出可能存在对象的区域。比如说，分割算法在这里得到一个色块，所以你可能会选择这样的边界框（编号1），然后在这个色块上运行分类器，就像这个绿色的东西（编号2），在这里找到一个色块，接下来我们还会在那个矩形上（编号2）运行一次分类器，看看有没有东西。在这种情况下，如果在蓝色色块上（编号3）运行分类器，希望你能检测出一个行人，如果你在青色色块(编号4)上运行算法，也许你可以发现一辆车，我也不确定

所以这个细节就是所谓的分割算法，你先找出可能2000多个色块，然后在这2000个色块上放置边界框，然后在这2000个色块上运行分类器，这样需要处理的位置可能要少的多，可以减少卷积网络分类器运行时间，比在图像所有位置运行一遍分类器要快。特别是这种情况，现在不仅是在方形区域（编号5）中运行卷积网络，我们还会在高高瘦瘦（编号6）的区域运行，尝试检测出行人，然后我们在很宽很胖的区域（编号7）运行，尝试检测出车辆，同时在各种尺度运行分类器。

git地址：

https://github.com/object-detection-algorithm/R-CNN

完整的算法

你们已经学到对象检测算法的大部分组件了，在这个视频里，我们会把所有组件组装在一起构成YOLO对象检测算法

 

 

 

最后你要运行一下这个非极大值抑制，为了让内容更有趣一些，我们看看一张新的测试图像，这就是运行非极大值抑制的过程。如果你使用两个anchor box，那么对于9个格子中任何一个都会有两个预测的边界框，其中一个的概率pc很低。但9个格子中，每个都有两个预测的边界框，比如说我们得到的边界框是是这样的，注意有一些边界框可以超出所在格子的高度和宽度（编号1所示）。接下来你抛弃概率很低的预测，去掉这些连神经网络都说，这里很可能什么都没有，所以你需要抛弃这些（编号2所示）。 

最后，如果你有三个对象检测类别，你希望检测行人，汽车和摩托车，那么你要做的是，对于每个类别单独运行非极大值抑制，处理预测结果所属类别的边界框，用非极大值抑制来处理行人类别，用非极大值抑制处理车子类别，然后对摩托车类别进行非极大值抑制，运行三次来得到最终的预测结果。所以算法的输出最好能够检测出图像里所有的车子，还有所有的行人（编号3所示）。

参考资料
吴恩达的深度学习