yolov5

深入浅出Yolo系列之Yolov5核心基础知识完整讲解 - 知乎大白在之前写过 《深入浅出Yolo系列之Yolov3&Yolov4核心基础知识完整讲解》对 Yolov4的相关基础知识做了比较系统的梳理，但Yolov4后不久，又出现了Yolov5，虽然作者没有放上和Yolov4的直接测试对比，但在COCO…https://zhuanlan.zhihu.com/p/172121380进击的后浪yolov5深度可视化解析 - 知乎0 摘要论文：暂无 github: https://github.com/ultralytics/yolov5 我注释版本github: https://github.com/hhaAndroid/yolov5-comment 关于yolov5是否应该赋予这个名称，网上众说纷纭， 如何评价YOLOv5？讨论非常…https://zhuanlan.zhihu.com/p/183838757如何评价YOLOv5？ - 知乎看到YOLOv5出来了就去看了一下，虽然很多事情并不清楚，自己也只是去使用而不是研究，但是有几个问题想说…https://www.zhihu.com/question/399884529

        yolov5没有论文，主要就结合着代码来分析一下，使用了mosaic，图片缩放，focus，csp，gious，fpn+pan，放缩的网络结构，放缩的网络结构让模型更加灵活，一共有四个版本，s,m,l,x，遗传算法搜超参，自适应的anchor，ema。非常建议读深度眸的解析版本，这算是解析很透彻的版本，核心在正负样本上做了优化，yolo系列的正负样本定义的代码基本都在build_targets函数里。不同于yolov3，v4的正负样本定义，一个gt只和iou最大的anchor匹配，v5中的正样本不再通过iou筛选，而是通过宽高比筛选，在三个预测层上也不再只有一个gt的anchor负责预测gt，而是可能存在多个，类似于mmdet给fcos找正样本的写法，三个预测层是可能存在gt的不同尺度预测的，但是也是经过宽高比筛选的，而且网格单元也从1个扩展到3个，但是也可能会引入质量较低的正样本.

1.网络结构变化

1.1 mosaic数据增强

1.2 自适应图片缩放

这块的逻辑其实是日常训练中很常用的逻辑，面向生产除了端到端的模型一般我们对输入都会做处理的。

第一张图是yolov1-v4的方式，先padding再输入，保证了输入尺寸是416*416或者其他的32的倍数，下采样的feature map是奇数就可以，在v5的前向推理中，长宽比不一定是固定的，只要和最长边resize到416之后的尺寸一致就可以，这样填充的边也少了很多，训练保持一致，推理变了。

 1.3 focus

# focus模式的下采样
class Focus(nn.Module):
    # Focus wh information into c-space
    def __init__(self, c1, c2, k=1, s=1, p=None, g=1, act=True):  # ch_in, ch_out, kernel, stride, padding, groups
        super(Focus, self).__init__()
        self.conv = Conv(c1 * 4, c2, k, s, p, g, act)

    def forward(self, x):  # x(b,c,w,h) -> y(b,4c,w/2,h/2)
        return self.conv(torch.cat([x[..., ::2, ::2], x[..., 1::2, ::2], x[..., ::2, 1::2], x[..., 1::2, 1::2]], 1))

直接看代码，就是将c,w,h变成了4c,w/2,h/2.但是注意，取的时候是隔一个取一次。如下，输入是608*608没问题的，只是取的时候只取到了一般，再concat。

1.4 放缩的网络结构

这块可以看上面江大白的知乎解析，很直观了，网络采用了efficientdet的思路，做了四种结果，分别是5s,5m,5l,5x，s最小结构，l是标准结构。

1.5 自适应的anchor

yolov3是提前在数据上用iou计算聚类anchor，v5考虑到有数据增强，是放在训练中去计算的，当然也不是看iou的。

2.正负样本分类

这块很重要，v5和v1-v4的正负样本分配是不一样的。yolov3中是经典的正样本匹配，每个gt都有一个网格单元中的anchor与之匹配，匹配规则是iou，并且某个gt只会在三个特征图的某一层进行预测，不会同时出现在三个特征图上，这里和传统的fpn多尺度预测以及fcos这种fpn分层预测都是不太一样，很粗暴。fcos和atss中都表明，增加高质量正样本anchor可以显著加速收敛。

1.对于任何一个特征图输出层，不再基于max iou的匹配规则，采用wh shape规则匹配，也就是该gt和当前的anchor计算宽高比，如果宽高比大于设定阈值，则说明该gt和anchor的匹配度不够，将该gt暂时丢掉，至少在这一特征图输出层认为其实背景，负样本。（注意计算预测框和gt以及anchor和gt是两种写法）

2.对于剩下的gt，计算其落在哪个网格单元内，找出其最近的两个网格，将这三个网格都认为是负责改gt的预测，这样相比较原本的正样本分配，v5的正样本至少增长了3倍。

 看一下上面这组图就更加清晰了，第一张图是stride=8，对检测小物体友好，第二张图是stride=16，第三张图是stride=32，红色表示gt，黄色表示该位置正样本anchor，第一张图由于检测目标过大，超过了wh shape，这里阈值为4，也就是anchor比gt的max(w,h)的比值大了4倍，anchor直接变负样本了，第二张图，黄色框多了，第三张图中黄色框更多，并且黄色框不仅是该gt中心的网格单元，还是其附近的。

有几个结论：

1.gt可以跨层预测，不止有一个层，可能三个层中都有预测gt的不同框

2.gt的匹配个数从1增长到3-9之间，三个网格单元，每个1个anchor，至少3个anchor正样本。

3.匹配规则由iou变成了wh shape，因此wh不再是整图大小，而是0-4，有阈值限制。

代码如下：

# 核心操作
# 其和常规的yolov3 loss完全不同
# 其label没有跨层，对于任何一个bbox，首先三个输出层都有，对于任何一层
# 首先计算当前bbox和当前层anchor的匹配程度，算法不再是iou，而是shape比例
# 如果anchor和bbox的宽高比差距大于4，也就是认为不匹配，此时暂时把bbox删除，其实就相当于当做背景了
# 然后在对bbox计算落在那个网格，也就是说对于某个bbox落在的网格内部(注意此时落在网格也不再是一个，而是附近的多个，增加正样本数)，所有anchor都算Loss
# 不存在取最大iou对应的anchor计算loss的设置
# 所以可能存在有些bbox在三个都预测的情况
# 也没有conf分支忽略阈值的操作

def build_targets(p, targets, model):
    # Build targets for compute_loss(), input targets(image,class,x,y,w,h)
    det = model.module.model[-1] if is_parallel(model) else model.model[-1]  # Detect() module
    # targets nx6,其中n是batch内所有的图片label拼接而成，6的第0维度表示当前是第几张图片的label =index classid xywh
    na, nt = det.na, targets.shape[0]  # number of anchors, targets
    tcls, tbox, indices, anch, ttar = [], [], [], [], []
    gain = torch.ones(7, device=targets.device)
    # anchor=3个数，将target变成3xtarget格式，方便后面算Loss
    # anchor索引，后面有用，用于表示当前bbox和当前层的哪个anchor匹配
    ai = torch.arange(na, device=targets.device).float().view(na, 1).repeat(1, nt)

    # 先repeat和当前层anchor个数一样,相当于每个bbox变成了三个，然后和3个anchor单独匹配
    targets = torch.cat((targets.repeat(na, 1, 1), ai[:, :, None]), 2)  # append anchor indices

    g = 0.5  # 网格中心偏移
    # 附近的4个网格
    off = torch.tensor([[0, 0], [1, 0], [0, 1], [-1, 0], [0, -1],  # j,k,l,m
                        # [1, 1], [1, -1], [-1, 1], [-1, -1],  # jk,jm,lk,lm
                        ], device=targets.device).float() * g  # offsets

    for i in range(det.nl):  # 三个输出分支
        anchors = det.anchors[i]  # 当前分支anchor
        # p是网络输出值
        gain[2:6] = torch.tensor(p[i].shape)[[3, 2, 3, 2]]  # 1 1 特征图大小 特征图大小 特征图大小 特征图大小 1
        # targets的xywh本身是归一化尺度，故需要变成特征图尺度
        t = targets * gain

        if nt:
            # 计算当前target的wh和anchor的wh比例值
            # 如果最大比例大于预设值model.hyp['anchor_t']=4，则说明当前target和anchor匹配度不高，不应该强制回归，把target丢弃
            # 主要是把shape和anchor匹配度不高的label去掉，这其实也说明该物体的大小比较极端，要么太大，要么太小，要么wh差距很大

            # 基于shape过滤后，就会出现某些bbox仅仅和当前层的某几个anchor匹配，即可能出现某些bbox仅仅和其中某个匹配，而不是和当前位置所有anchor匹配
            r = t[:, :, 4:6] / anchors[:, None]  # wh ratio 不考虑xy坐标
            j = torch.max(r, 1. / r).max(2)[0] < model.hyp['anchor_t']  # compare
            # j = wh_iou(anchors, t[:, 4:6]) > model.hyp['iou_t']  # iou(3,n)=wh_iou(anchors(3,2), gwh(n,2))
            t = t[j]  # filter 注意过滤规则是没有考虑xy的，也就是当前bbox的wh是和所有anchor计算的

            # https://www.kaggle.com/c/global-wheat-detection/discussion/172436
            # 网络的3个附近点，不再是落在哪个网络就计算该网络anchor,而是依靠中心点的情况
            # 选择最最近的3个网格，作为落脚点，可以极大增加正样本数

            # 也就是对于保留的bbox，最少有3个anchor匹配，最多9个

            gxy = t[:, 2:4]  # grid xy label的中心点坐标
            gxi = gain[[2, 3]] - gxy  # inverse
            # 这两个条件可以选择出最靠近的2个邻居，加上自己，就是三个邻居
            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))
            # 5是因为预设的off是5个，现在选择出最近的3个(包括0,0也就是自己)
            t = t.repeat((5, 1, 1))[j]  # (label个数x3,7) 附近的2个网格anchor，都算该bbox的anchor点
            offsets = (torch.zeros_like(gxy)[None] + off[:, None])[j]  # 选择出最近的三个
        else:
            t = targets[0]
            offsets = 0

        # 按照yolov3，则直接（gxy-0.5）.long()即可得到网格坐标
        # 但是这里考虑了附近网格，故offsets不再是0.5而是2个邻居
        # 所以xy回归范围也变了，不再是0-1，而是0-2
        # 宽高范围也不一样了，而是0-4，因为超过4倍比例是算不匹配anchor，所以最大是4
        b, c = t[:, :2].long().T  # image, class
        gxy = t[:, 2:4]  # grid xy
        gwh = t[:, 4:6]  # grid wh
        gij = (gxy - offsets).long()  # 当前label落在哪个网格上
        gi, gj = gij.T  # grid xy indices

        # Append
        a = t[:, 6].long()  # anchor indices
        indices.append((b, a, gj, gi))  # image, anchor, grid indices
        tbox.append(torch.cat((gxy - gij, gwh), 1))  # box
        ttar.append(torch.cat((gxy, gwh), 1))  # box
        anch.append(anchors[a])  # anchors
        tcls.append(c)  # class

    return tcls, tbox, indices, anch, ttar

整体来看，yolov5还是有不少改进的，很多人反应代码写的比较乱，后续有时间好好搞搞这块代码，scaled-yolov4采用和yolov5一样的正负样本分配以后，在coco上的map也很猛，直接就到50%+了，yolov5和yolov4很多地方都存在相互借鉴。

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