目标检测 YOLOv5 - Sample Assignment

flyfish

target是通过标注数据构建的 例如包括 目标的类别，目标的位置这些已知内容。
BBox就是bounding box，边框。
target里面的边框就是Ground Truth BBox，简称 GT BBox或者GT Box，就是人告诉计算机的，已知的正确答案。
通过模型输出的边框就是 Predicated BBox，

我们期望Predicated BBox结果就是GT BBox。两者交流不方便的时候就增加了一个中介，这两种边框存在一个中介，这个中介就是Anchor BBox，有时简称anchor。
当发现prior box，prior bbox，先验框这样的词汇的时候，不用疑惑，它就是anchor,是人为通过程序生成的一些边框。程序生成的边框坐标是固定的，即anchor的坐标是固定，这不是正确答案。anchor的坐标就想和GT BBox这个正确答案匹配
那怎么匹配呢？

一个anchor对应一个GT BBox的情况

一种是GT BBox找到与其IoU最大的那个anchor匹配，每个GT BBox都有个anchor匹配
如果没有anchor的时候，需要直接回归GT BBox的坐标，有anchor的时候，回归的时候就可以回归两者的偏移量，两个边框上下左右各差多少，即人为生成的anchor的与标准答案GT BBox之间的差别。

多个anchor对应一个GT BBox的情况

YOLOv5 是这样来比较人为生成的anchor的与标准答案 gt box之间的差别
通过两个量来变：一个是中心点的偏移，anchor的中心点如何变gt box的中心点
另一个是 宽度和高度的缩放系数， 相对于GT BBox的宽度和高度，anchor的宽度和高度各自变大了，还是变小了。
通过两个量的偏移变化，anchor就变GT BBox了，
这就是一个被确定为正样本的anchor 如何变GT BBox的过程

这种宽度和高度的缩放系数在文件hyp.scratch.yaml里面存着。

anchor_t: 4.0  # anchor-multiple threshold

YOLO各个版本的Sample Assignment

 version 

 scale 

 num. anchors 

 per scale 

 assignment method 

 assigned 

 anchors per GT 

 YOLO v1 

1

0

 center position comparison 

 single 

 YOLO v2 

1

9

 IoU comparison 

 single 

 YOLO v3 

3

3

 IoU comparison 

 single 

 YOLO v4 

3

3

 IoU comparison 

 multiple 

 YOLO v5 

3

3

 box size comparison 

 additional neighboring 2 cells 

 multiple 

\begin{array}{|l|l|l|l|l|} \hline \text { version } & \text { scale } & \begin{array}{l} \text { num. anchors } \\ \text { per scale } \end{array} & \text { assignment method } & \begin{array}{l} \text { assigned } \\ \text { anchors per GT } \end{array} \\ \hline \text { YOLO v1 } & 1 & 0 & \text { center position comparison } & \text { single } \\ \hline \text { YOLO v2 } & 1 & 9 & \text { IoU comparison } & \text { single } \\ \hline \text { YOLO v3 } & 3 & 3 & \text { IoU comparison } & \text { single } \\ \hline \text { YOLO v4 } & 3 & 3 & \text { IoU comparison } & \text { multiple } \\ \hline \text { YOLO v5 } & 3 & 3 & \begin{array}{l} \text { box size comparison } \\ \text { additional neighboring 2 cells } \end{array} & \text { multiple } \\ \hline \end{array}

 version  YOLO v1  YOLO v2  YOLO v3  YOLO v4  YOLO v5 ​ scale 11333​ num. anchors  per scale ​09333​ assignment method  center position comparison  IoU comparison  IoU comparison  IoU comparison  box size comparison  additional neighboring 2 cells ​​ assigned  anchors per GT ​ single  single  single  multiple  multiple ​​

YOLOv3的时候是 一个target center对应一个target grid cell

YOLOv5的时候一个target grid cell是不够的，一个target center对应三个target grid cell。

除了本身的target grid cell，还要从它的上下左右4个grid cell再选择两个。也就是前景foreground与背景background的区分。
原来他们只是叫做grid cell，被选中之后就成了target grid cell。
代码中是这样描述的（utils/loss.py）

# Offsets
gxy = t[:, 2:4]  # grid xy
gxi = gain[[2, 3]] - gxy  # inverse
j, k = ((gxy % 1. < g) & (gxy > 1.)).T
l, m = ((gxi % 1. < g) & (gxi > 1.)).T
j = torch.stack((torch.ones_like(j), j, k, l, m))
t = t.repeat((5, 1, 1))[j]
offsets = (torch.zeros_like(gxy)[None] + off[:, None])[j]

gxy % 1 是浮点求模

选择之后的结果（utils/loss.py）

# Define
b, c = t[:, :2].long().T  # image, class
gxy = t[:, 2:4]  # grid xy
gwh = t[:, 4:6]  # grid wh
gij = (gxy - offsets).long()

tensor([[ 0.00000, 0.00000],
[ 0.50000, 0.00000],
[ 0.00000, 0.50000],
[-0.50000, 0.00000],
[ 0.00000, -0.50000]], device=‘cuda:0’)
原点不动，往右、往下、往左、往上
往右、往下、往左、往上，分别用字母 j k l m 表示
编写一下代码将gij可视化的结果是
特征图有三种，所以有3种情况
模型的输出，其中80，40，20就是特征图大小

torch.Size([16, 3, 80, 80, 85])
torch.Size([16, 3, 40, 40, 85])
torch.Size([16, 3, 20, 20, 85])

都是三个target grid cell做为一个小组

anchor通过配置文件或者自动计算

YOLOv5是几乘以几的grid，即有多少个grid cell?

这样问是因为YOLOv1和YOLOv2的思路，YOLOv3的时候思路稍微变化。
答：YOLOv5是stride 8、16和32使用3个多尺度输出。YOLOv3和YOLOv5是一个思路。已经不是一个grid，而是三个grid。
每个grid有不同数目的grid cell。



YOLOv5的grid有三层 ，如果按照640 * 640大小的图片，按照strider来划分，那么grid cell的大小分别是80 * 80，40 * 40，20 * 20

YOLOv1的输出

YOLOv1输出tensor的维度是 (S, S, B × 5 + C)
(S,S)就是网格的大小
B是每个单元格的预测框的数量
C是类别的数量
这里通常是S = 7，B = 2，C = 20（PASCAL VOC dataset）
输出图像通常是448 × 448像素
输出tensor的大小是 7 × 7 × 30
30 = 2 × 5 + 20

YOLOv2的输出

YOLOv2输出tensor的维度已经发生了变化是(S, S, B × (5 + C))
B是每个单元格的预测框的数量
C是类别的数量
原来是B × 5 + C 变成了B × (5 + C)
这里通常是S = 13，B = 5，C = 20（PASCAL VOC dataset）
输出图像通常是416 × 416像素
输出tensor的大小是

13 × 13 × 125

125 = 5 × (5 + 20)

YOLOv3的输出

YOLOv3的输出已经发生了大的变化，YOLOv5的思路与YOLOv3是相同的
一个检测层的输出变成了三个检测层的输出

(S, S, B × (5 + C))
(2S, 2S, B × (5 + C)) 
(4S, 4S, B × (5 + C))

S,S是网格的大小
B是每个单元格的预测框的数量
C是类别的数量
这里通常是S=13，B=3，C=80（COCO dataset）
输出图像通常是416×416像素
输出是三个张量大小分别是

13 × 13 × 255
26 × 26 × 255
52 × 52 × 255

255 = 3 × （5 + 80）

YOLOv5的输出

YOLOv5的输出，与YOLOv3一样，是三个检测层的输出
按照stride来划分，以640 × 640像素图像为例
stride分别是8，16，32

640 /  8 = 80，这层网格大小是80 × 80
640 / 16 = 40，这层网格大小是40 × 40
640 / 32 = 20，这层网格大小是20 × 20

最终输出是

(80, 80, B × (5 + C))
(40, 40, B × (5 + C)) 
(20, 20, B × (5 + C))

B是每个单元格的预测框的数量
C是类别的数量
这里通常是B=3，C=80（COCO dataset）
输出是三个张量大小分别是

80 × 80 × 255
40 × 40 × 255
20 × 20 × 255

255 = 3 × （5 + 80）

也就是程序输出的

torch.Size([16, 3, 80, 80, 85])
torch.Size([16, 3, 40, 40, 85])
torch.Size([16, 3, 20, 20, 85])

这里的16是batch-size的大小，输出数据batch-size张图像。

每个grid cell预测框的数量是3个，这里用字母B表示
例如 P3层预测框的配置是

[ 10.,  13.]
[ 16.,  30.]
[ 33.,  23.]

其中[10., 13]就表示一个预测框的scale，每一个grid cell有3个不同的预测框，通过scale就知道预测框的样子。

也就是上表的

scale:3​ 
num anchors  per scale:3

不同层的grid cell对应的预测框大小是不同的，详细表示如下​

tensor([[[[[[ 10.,  13.]]], #P3层
          [[[ 16.,  30.]]],
          [[[ 33.,  23.]]]]],

        [[[[[ 30.,  61.]]],#P4层
          [[[ 62.,  45.]]],
          [[[ 59., 119.]]]]],

        [[[[[116.,  90.]]],#P5层
          [[[156., 198.]]],
          [[[373., 326.]]]]]])

网格大小与anchor scale的关系

80

：

10

,

13

,

16

,

30

,

33

,

23

40

：

30

,

61

,

62

,

45

,

59

,

119

20

：

116

,

90

,

156

,

198

,

373

,

326

\begin{array}{ll} 80： & 10,13,16,30,33,23 \\ \hline 40： & 30,61,62,45,59,119 \\ \hline 20： & 116,90,156,198,373,326 \end{array}

80：40：20：​10,13,16,30,33,2330,61,62,45,59,119116,90,156,198,373,326​​

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