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深入理解YOLO系列目标检测头的设定方式

article 2024/12/22 15:20:42

YOLOv1的检测头结构

1. 网络结构概述

2. 结构细节

3. 优缺点

YOLOv2的检测头结构

1. 网络结构概述

2. 结构细节

3. 优缺点

YOLOv3的检测头结构

1. 网络结构概述

2. 结构细节

3. 优缺点

总结：YOLO 系列检测头的结构演变

YOLOv1的检测头结构

1. 网络结构概述

YOLOv1的检测头采用了最基础的设计——全连接层（Fully Connected, FC）。YOLOv1采用的是一个卷积神经网络（CNN）作为基础网络进行特征提取，最后通过一个 全连接层（FC layer）将卷积层的输出映射到目标检测的最终结果。

2. 结构细节

卷积层：图像经过一系列卷积层和池化层后，提取出特征图。

全连接层：将卷积层提取出的特征图展平为一维向量，并通过一个全连接层来输出目标检测结果。

输出张量为：S x S x (B * (5 + C))，其中：
- S 是网格大小（例如 7x7），
- B 是每个网格单元的边界框数量（通常为2），
- 5 是每个边界框的 4 个坐标（x, y, w, h）和置信度（confidence），
- C 是类别数量。

3. 优缺点

优点：结构简单，推理速度非常快，适用于实时性要求较高的场景。
缺点：由于全连接层的设计没有保留空间结构信息，导致精度相对较低，尤其是小物体的检测性能差，定位精度不高。

YOLOv2的检测头结构

1. 网络结构概述

YOLOv2对检测头进行了显著优化，特别是引入了 直通层（passthrough layer） 和 Anchor Boxes。YOLOv2的骨干网络是Darknet-19，通过多个卷积层进行特征提取，最后通过一个卷积层来进行目标预测。

2. 结构细节

直通层（Passthrough Layer）：YOLOv2引入了 passthrough layer，这是YOLOv2的一个重要创新。该层使得低层次的特征图可以与高层次的特征图结合，避免了丢失低层细节信息，从而提高了检测精度。Passthrough layer 连接了从某一层到另一层的特征，使得低层特征能够与高层的语义信息结合。

例如，在YOLOv2中，网络的最后几层不仅仅是卷积层，还会对低层和高层的特征进行融合。这使得网络能够保留更多的空间信息，有助于定位精度的提升。

卷积检测头：YOLOv2的检测头由几个卷积层组成。最终的卷积层输出为一个张量，表示每个网格单元的目标信息。

输出张量大小：S x S x (B * (4 + 1 + C))，其中：
- S 是网格大小（通常是 13x13 或 19x19），
- B 是每个网格单元的锚框数量（通常为 2 或 3），
- 4 是每个边界框的坐标（x, y, w, h），
- 1 是每个边界框的置信度（confidence），
- C 是类别数量。

Anchor Boxes：YOLOv2采用了基于K-means聚类的方法来生成锚框，用于每个网格单元预测不同形状的边界框。通过锚框，YOLOv2能够更好地预测不同尺寸的物体。

3. 优缺点

优点：

Anchor Boxes：能够更好地处理不同尺度和形状的物体。
Passthrough Layer：保留了低层的细节信息，有助于提高小物体的检测精度。
卷积头：相比YOLOv1的全连接层，卷积层能够更好地保留空间信息，提高了检测精度。

缺点：

计算开销：相比YOLOv1，YOLOv2的计算量增加，尤其是引入Anchor Boxes和passthrough层后，计算复杂度增加。
锚框选择依赖数据：锚框的选择需要根据训练数据来优化，若选择不当，可能会影响精度。

YOLOv3的检测头结构

1. 网络结构概述

YOLOv3对检测头的设计进行了更深入的优化，特别是通过多尺度预测和**特征金字塔（FPN）**的引入，进一步提升了对不同尺度物体的检测能力。YOLOv3采用了基于 Darknet-53 的骨干网络，并结合了多尺度预测。

2. 结构细节

多尺度预测：YOLOv3通过在不同尺度的特征图上进行预测，来检测不同尺寸的物体。具体来说，YOLOv3在三个不同的尺度上进行预测：13x13、26x26和52x52，这些尺度分别用于检测大、中、小物体。

每个尺度的输出为：S x S x (B * (4 + 1 + C))，其中：

S 为不同尺度下的特征图大小（如13x13，26x26，52x52），
B 为每个网格单元的锚框数（通常为 3），
4 表示每个边界框的4个坐标（x, y, w, h），
1 为置信度，
C 为类别数量。

特征金字塔（FPN）：YOLOv3并不直接使用标准的FPN，而是通过结合来自不同层的特征图来生成多尺度输出。YOLOv3通过跨层的融合（即对低层特征进行上采样，并与高层特征进行融合）来进行多尺度预测。这种结构类似于FPN的思想，但它并不严格地采用FPN的所有技术。

卷积检测头：YOLOv3的检测头由多个卷积层组成，并使用了3个不同尺度的卷积层，每个尺度用于预测不同尺寸的物体。

3. 优缺点

优点：
- 多尺度预测：通过在多个尺度上进行预测，YOLOv3能够高效地检测不同尺寸的物体，尤其在小物体检测上有显著提高。
- 特征融合：通过跨层特征融合，YOLOv3能够更好地捕捉物体的细节信息，特别是在小物体和复杂场景下。
- 高精度：YOLOv3采用了更深的网络和多个优化技巧，使得它在各种数据集上的表现非常出色。
缺点：
- 计算复杂度较高：多尺度预测和特征融合使得YOLOv3的计算量较大，尤其是在推理时，需要处理多个尺度的输出。
- 较慢：尽管YOLOv3的检测精度很高，但其推理速度相较YOLOv2稍慢，尤其是在高分辨率图像上的表现更为明显。

总结：YOLO 系列检测头的结构演变

版本	检测头结构	关键技术	优势	缺点
YOLOv1	全连接层（FC）	无	速度快，设计简单，适合实时检测	精度低，定位不准确，小物体检测能力差
YOLOv2	多卷积层 + passthrough	Anchor Boxes，passthrough	更好的精度，适应不同尺寸物体，改进了小物体检测	计算复杂度增加，锚框选择依赖数据
YOLOv3	多卷积层 + 跨层特征融合	多尺度预测，特征金字塔（FPN）	多尺度检测，精度更高，尤其是小物体检测	计算开销大，推理速度较慢