一、基本概念
1.YOLO简介
YOLO（You Only Look Once）：是一种基于深度神经网络的对象识别和定位算法，其最大的特点是运行速度很快，可以用于实时系统。
2.目标检测算法
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RCNN：该系列算法实现主要为两个步骤：先从图片中搜索出一些可能存在对象的候选区（Selective Search），大概2000个左右；然后对每个候选区进行对象识别。检测精度较高，但速度慢。
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YOLO：将筛选候选区域与目标检测合二为一，大大加快目标检测速度，但准确度相对较低。
3.评价目标
3.1.IOU
IOU（Intersection over Union）：交并比，候选框（candidate bound，紫色框）与原标记框（ground truth bound，红色框）的交叠率，IOU值越高，说明算法对目标的预测精度越高。
- Area of overlap：原标记框与候选框的交集面积
- Area of union：原标记框与候选框的并集面积
3.2.置信度
3.3.二分类指标
在「二分类」任务中，对样本的描述：
- Position：正例，二分类中的一类样本，一般是想要的
- Negative：负例，二分类中另一类样本，一般是不想要的
- TP（True Position）：在拿出样本中，正确识别为正例
- FP（False Position） ：在拿出样本中，错误识别为正例，即本身是负例（误判）
- TN（True Negative） ：未拿出样本中，正确当负例舍弃
- FP（False Negative） ：未拿出样本中，错误当负例舍弃，即本身是正例（遗漏）
二分类结果的评判指标：
3.4.AP
由于 Precision 与 Recall 只适用于「二分类问题」。当存在多样本分类时，对每一类样本单独考虑其「二分类问题」，即目标样本与其他样本的分类问题。
当确认的样本越少，出错的风险也就越小；当选择出的样本量越大，得到全部目标样本的可能性越大。因此 Precision 与 Recall 是一度矛盾的关系
- Precision 较大时，Recall 较小：当要分辨 10 个苹果时，我只拿出一个苹果，那么 Precision 就是
100 %，而 Recall 确是10 % - Precision 较大时，Recall 较小：若选择出 100 个水果，10 个苹果我们都拿出来了，但是还有 90 个其他水果。Precision 就是
10 %，而 Recall 是100 %
假设模型的任务为从图片中，检测出三类物体：(1,2,3)。「一张图片」的模型预测结果如下所示
现在对每一类别分别绘制 Precision-Recall曲线：
每个预测的 box 与其分类对应的所有 Ground True box 进行 IOU 计算，并选择出最大的 IOU 作为输出结果。 认为当前预测 box 就是 IOU 最大的这个 Ground True box 的预测结果。（若多个预测box 与同一个 Ground True box 相对应，则只记录一个）
将 max_iou 与给定阈值 thresh = 0.5 进行比较，大于阈值就标记 1
数据根据「分类置信度 class_conf」 进行排序
取出分类 1
假设在当前图片中，存在 3 个 1 类目标，计算其 Precision 与 Recall。
根据上面的结果，假设只找出 1 个 1 类目标时：
假设只找出 2 个 1 类目标时
假设只找出 3 个 1 类目标时
以此类推，找出全部时
根据上述 Precision 与 Recall 序列绘制出的曲线，就是 1 类别目标对应的Precision-Recall曲线，重复上述步骤，就是绘制出 2, 3 类别的曲线。 根据Precision-Recall曲线就能计算 AP 值了。
AP（Average Precision）：Precision-Recall曲线下方的面积。结合 Precision 与 Recall ，更加全面的对模型的好坏进行评价。
绘制完整的 Precision-Recall曲线：将 Precision 与 Recall 绘制成曲线。
查找 precision 突然变大的点
利用这个突变点来代表这个区间内的 Precision
最后计算彩色矩形区域的面积，该值就是 AP
二、YOLO V1
1.网络模型
对于第一版 YOLO 的网络模型就两个部分： 卷积层、全连接层 。
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输入： 尺寸为
448x448x3的图片， 图片尺寸定死 -
输出： 图片中被检测目标的位置（矩形框坐标）与被检测物体的分类。
2.目标检测原理
- 将输入图片通过
7x7网格，划分为49个单元格 - 每个单元格负责一个检测目标：存储检测目标外接矩形的「中心点坐标」、长宽；存储检测目标的类型。 即当检测目标的外接矩形「中心点坐标」位于该单元格内时，就让该单元格全权负责储存这个检测目标的信息。
- 每个单元格持有
2个候选矩形框，会通过置信度选择一个最好的当作预测结果输出
3.模型输出
V1 版本的输出结果为 7x7x30 的一个向量，对该向量进行维度转换得到
其中 7x7 表示利用 7x7 的网格，将输入图片划分为 49 个单元格；30 表示对每个单元格预测结果的描述：两个目标位置候补框、置信度、目标的分类
- bounding box 1 ：第一个候补框的参数，外接矩形中心坐标 (x1,y1)(x1,y1) ；长宽 (w1,h1)(w1,h1)
- confidence 1 ：第一个候补框是待检测目标的置信度
- bounding box 2 ：第二个候补框的参数，外接矩形中心坐标 (x1,y1)(x1,y1) ；长宽 (w1,h1)(w1,h1)
- confidence 2 ：第二个候补框是待检测目标的置信度
- 分类：检测目标为
20个分类的概率
其中，对于中心坐标 (x,y)(x,y) 、长宽 (w,h)(w,h) 值的存储是一个百分比。
- 中心坐标 (x,y)(x,y) ：相对单元格长宽的比值
- 长宽 (w,h)(w,h)：相对于输入图片长宽的比值
4.损失函数
4.1.定义
4.2.位置预测
当预测外接框与目标外接框的宽度、高度的差值一样时，对于较大的物体而言相对误差小，而对于较小物体而言相对误差较大。因此为了让损失函数对小物体的外接矩形的宽度、高度更敏感一些，在 YOLO V1 中采用了 「根号」: 自变量在[0,1]取值时，根号的斜率变化比直线要大。
5.模型预测
5.1.思路
训练好的 YOLO 网络，输入一张图片，将输出一个 7x7x30 的张量（tensor）来表示图片中所有网格包含的对象（概率）以及该对象可能的2个位置（bounding box）和可信程度（置信度）。每个单元格有两个 bounding box ，一共有 7x7 个单元格，现在将所有的 7x7x2=98 个 bounding box 绘制出来
可以看见图上到处都是 bounding box，现在就需要从这些 bounding box 中，筛选出能正确表示目标的 bounding box。
为了实现该目的， YOLO 采用 NMS（Non-maximal suppression，非极大值抑制）算法
三、YOLO V2
1.模型改进
1.1.卷积化
在 V1 中，最后的输出结果是靠「全连接层」得到的，这也就限制了输入图片的尺寸。因此在 V2 将所有的全连接层转为了卷积层，构造了新的网络结果 DarkNet19，其中还利用 1x1 卷积对模型进行优化。
1.2.Batch Nomalization
在 DarkNet19 网络中，对于卷积层加入了 Batch Normalization ，并删除了 dropout 。
由于 DarkNet19 做了 5 次池化且卷积均进行了padding，所以输入图片将会被缩放 25=3225=32 倍，即 448x448 的输入，输出结果应当是 448/32=14，但是14x14的结果没有特定的中心点，为了制造一个中心点，模型的输入图片尺寸就更改为了416x416，输出结果就变为了13x13。
1.3.Fine-Grained Features
在 DarkNet19 模型中，存在一个 PassThrough Layer 的操作，该操作就是将之前阶段的卷积层结果与模型输出结果进行相加。根据 感受野 可知，越靠前的网络层对细节的把握越好，越靠后的网络更注重于目标整体，为了使得输出结果对小物体有更好的把握，就可以利用 PassThrough Layer 来提升结果特征图对小物体的敏感度。
1.4.图片输入
由于历史原因，ImageNet分类模型基本采用大小为 224x224 的图片作为输入，所以 YOLO V1 模型训练使用的输入图片大小其实为 224x224，在模型预测时，又使用的是 448x448 的图片作为输入，这样就导致模型的训练和模型的预测，输入其实是有差异的。为了弥补这个差异，模型训练的最后几个 epoch 采用 448x448 的图片进行训练。
2.Anchor Box
YOLO V1 的 bounding box 缺陷：
- 一个单元格只能负责一个目标检测的结果，如果该单元格是多个目标的中心点区域时，V1 版本将不能识别。
- V1 中，对于 bounding box 的预测结果并未加限制，这就会导致 bounding box 的中心点可能会跑到其他单元格内
- bounging box 的宽度与高度是靠模型自己学习的，这就可能走很多弯路。
2.1.Anchor
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模型训练开始前，人为为每个单元格预定义几个不同大小的 Anchor Box，这样从训练开始，每个单元格的bounding box就有了各自预先的检测目标，例如瘦长的 bounging box 就适合找人，矮胖的 bounging box 就适合找车等。
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模型训练就是调整这些预定义的bounding box 的中心点位置与长宽比列。
2.2.Box 数据结构
在引入 Anchor box 后， YOLO V2 对于一个 bounging box 的数据结构为：
- 中心点坐标 (x,y)(x,y)，相对于单元格宽度的比列值
- 相对于 Anchor box 宽高的偏移量 (w,h)(w,h)
- 当前 bounging box 存在检测目标的置信度 ConfidenceConfidence
- 检测目标对应各个类型的概率 pipi
一个单元格能检测多少目标，就输出多少个上述 Box 数据结构。
2.3.Box 解析
2.4.确定Anchor
3.损失函数
