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PS：大司马金轮 ，技术教程：点击查看

大家好，我是 Jack。

承诺的图解 AI 算法系列教程，今天咱们继续！

这个系列一直写的比较随性 ，想写哪个算法就写了哪个 ，毫无章法 。

「修炼开始」一文带你入门深度学习

保姆级教程：硬核图解Transformer

嘿，来聚个类！

好在，文章质量都还不错 ，虽然硬核了点，但从各方面的反馈来看，还是有不少朋友喜欢看的。

今天 ，聊一聊人工智能，计算机视觉方向的重头戏。

我们都知道，CV 领域最常规的三大任务是：图像分类、目标检测 、图像分割 。

图像的分类和分割算法实战教程 ，我在2019年就出过了，想看可以往前翻一翻 。

目前，就差目标检测还没写过 ，虽迟但到，今天它来了！

目标检测

目标检测，应用非常广 ，是非常重要的技术储备。

目标检测落地场景丰富 ，可用度非常高，人脸识别、智能安防系统、无人驾驶 、无人机等各个领域，目标检测都是核心技术。

举个例子 ，无人机领域，画面中的车辆 、行人等目标的检测 。

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军事上，目标的精准打击 ，也都有目标检测的身影。

生活上，我们也可以利用检测做很多事情，随手一拍。

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目标检测检测出物体 ，车辆、树木，可能有些人会问，这个检测出来有啥用？

那要是在此基础上 ，再识别出这些是什么车、什么树？

宝马，奥迪，还是比亚迪？

杨树 ，柳树 ，还是白杨树？

再比如，什么品种的猫猫狗狗，什么品牌的衣帽鞋袜 。

万物皆可识别 ，只需随手一拍。这就是很多做视觉的公司，都在做的重点方向。

这也是，目标检测+细分类的技术应用的场景之一 。先检测出画面中的目标 ，再将检测出的目标送入更细粒度的分类网络，识别出堪比人，甚至远超人的精细水平。

目标检测 ，专业一点的概念就是：解决“在哪里？是什么？”的问题，即定位出这个目标的位置并且知道目标物是什么。

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基于深度学习的目标检测算法主要分为两类：

  • Two Stage：两阶段目标检测

  • One Stage：端到端目标检测

Two Stage

Two Stage 是2013年到2015年的主流算法，后来逐渐发展为 One Stage 端到端的目标检测算法 。

Two Stage 算法是先进行区域生成 ，该区域称之为 region proposal（简称RP，一个有可能包含待检物体的预选框），再通过卷积神经网络进行样本分类。

任务流程：特征提取 --> 生成RP --> 分类/定位回归。

常见 Two Stage 目标检测算法有：R-CNN 、SPP-Net、Fast R-CNN、Faster R-CNN 和 R-FCN 等 。

One Stage

不用 RP ，直接在网络中提取特征来预测物体分类和位置 。

任务流程：特征提取–> 分类/定位回归。

常见的 One Stage 目标检测算法有：YOLO 系列 、SSD 系列、Anchor Free 系列等。

如今 ，比较常用、实用的目标检测算法都是 One Stage 的 。

从前，一般讲解目标检测都是从两阶段的 R-CNN 系列开始，但说实话 ，有些老了，一阶段的 YOLO 从 v1 都发展到 v5 了。

但并不代表 Faster R-CNN 这些就没有学的必要，目标检测的基础 ，还是很有必要学习一番的，并且不少公司其实还在用这些算法。

现在，一般公司面试 ，都爱问 YOLO 系列的算法，YOLO v4 、YOLO v5 这些 。

今天，先来个比较基础的 ，我们从 YOLO v1 谈起。

YOLO v1

YOLO 的名字还是很霸气的：You Only Look Once。

YOLO 之父是 Joseph Redmon，v1 - v3 是他的作品，篇篇顶会 ，性能也是 ，开源口碑非常好 。

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可惜，发布完 v3 就退圈了，后续的 v4 - v5 ，都是其他团队接手了。

在讲解 YOLO v1 之前，重申一下我们的任务：在一张图片中找出物体，并给出它的类别和位置。

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YOLO v1 的核心思想是：采用利用整张图作为网络的输入 ，直接在输出层回归 bounding box 的位置和 bounding box 所属的类别 。

为了照顾新人，这里解释下 bounding box ，即检测框 ，就是目标外围带颜色的框框，一般简称 bbox。

YOLO v1 的实现，是将一幅图像分成 SxS 个网格(grid cell)。

哪个目标物体的中心落在这个网格中 ，则这个网格负责预测这个目标 。

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论文中，是将图像分为 7x7 的网格，即上文中的 S=7 。如上图所示 ，红色的点 ，就是负责检测狗的。

网络结构

YOLO v1目标检测一共三个步骤：

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  • resize图片尺寸

  • 输入网络，出结果

  • NMS

第一步，resize 很好理解 ，属于深度学习的常规操作，就是为了将不同尺寸的图片适配到统一的网络结构中，需要 resize 到相同的尺寸。

论文提出的这个网络结构 ，输入层的尺寸是 448x448，因此在将图片送入网络前，需要将图片 resize 到 448x448 。

我们直接看下网络结构 ，精髓都在这里：

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这里设计得很巧妙，可以看到网络的最终输出是 7×7×30。还是以这个狗为例，7x7 很好理解 ，图像分为 7x7 个区域进行预测。

最终输出 tensor 的前五个数值，分别是 bbox 的 x,y,w,h,c，即 bbox 的中心坐标 x,y ，bbox 的宽高 w,h ，bbox 的置信度 。

置信度就是算法的自信心得分，越高表示越坚信这个检测的目标没错。

而一个中心点，会检测 2 个 bbox ，这个操作可以减少漏检，因为可以适应不同形状的 bbox，进而提高bbox 的准确率。

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2 个 bbox 都会保留 ，最后通过 NMS 选择出最佳的 bbox，这个操作最后再讲 。

而后面的 20 个，就是类别的概率 ，YOLO v1 是在 VOC 数据集上训练的，因此一共 20 个类。

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因此，tensor 总共加起来就是 7×7×(2×5+20) ，写成公式就是：SxSx(Bx5+C)。

这里的问题，可以当作回归问题来解决的 。所有的输出包括坐标和宽高都定义在0到1之间。

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来看一下每个单元格预测的B个(x,y,w,h,confidence)的向量和C的条件概率中，每个参数的含义(假设图片宽为高为 ，将图片分为：

(x,y)是bbox的中心相对于单元格的offset

对于下图中蓝色框的那个单元格坐标为 ，假设它预测的输出是红色框的bbox,设bbox的中心坐标为，那么最终预测出来的是经过归一化处理的，表示的是中心相对于单元格的offset ，计算公式如下：

(w,h)是bbox相对于整个图片的比例

预测的 bbox 的宽高为 ，表示的是 bbox 的是相对于整张图片的占比，计算公式如下：

confidence

这个置信度是由两部分组成 ，一是格子内是否有目标，二是bbox的准确度。定义置信度为 Object  。

这里，如果格子内有物体 ，则 Object ，此时置信度等于IoU 。如果格子内没有物体，则 Object  ，此时置信度为0。

C类的条件概率

条件概率定义为 Class Object ，表示该单元格存在物体且属于第 i 类的概率。

在测试的时候每个单元格预测最终输出的概率定义为：

NMS

经过网络处理后，将 的结果送入 NMS  ，最后即可得到最终的输出框结果 。

NMS ，即非极大值抑制，就是将一些冗余框去掉，示意图如下：

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NMS 别看简单 ，面试常考题，比如动手实现一个 NMS 代码之类的。

这个概念千万不要懵懵懂懂，细节决定成败。省着被嘲讽：NMS都不会 ，做什么Detection！

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学 NMS ，先要理解 IOU 。

IOU 即Intersection over Union，也就是两个box区域的交集比上并集 ，下面的示意图就很好理解，用于确定两个框的位置像素距离。

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  • 首先计算两个box左上角点坐标的最大值和右下角坐标的最小值

  • 然后计算交集面积

  • 最后把交集面积除以对应的并集面积

就这简单，NMS 就是通过计算 IOU 来去除冗余框的 ，具体的实现思路如下。

以下图为例，进行说明：

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就像上面的图片一样，定位一个车辆 ，最后算法就找出了一堆的方框 ，我们需要判别哪些矩形框是没用的 。

非极大值抑制的方法是：先假设有6个矩形框，根据分类器的类别分类概率做排序，假设从小到大属于车辆的概率 分别为A、B、C 、D、E、F。

(1)从最大概率矩形框F开始 ，分别判断A~E与F的重叠度IOU是否大于某个设定的阈值;

(2)假设B 、D与F的重叠度超过阈值，那么就扔掉B 、D；并标记第一个矩形框F，是我们保留下来的。

(3)从剩下的矩形框A、C、E中 ，选择概率最大的E，然后判断E与A 、C的重叠度，重叠度大于一定的阈值 ，那么就扔掉；并标记E是我们保留下来的第二个矩形框 。

就这样一直重复，找到所有被保留下来的矩形框。

代码实现：

# --------------------------------------------------------
# Fast R-CNN
# Copyright (c) 2015 Microsoft
# Licensed under The MIT License [see LICENSE for details]
# Written by Ross Girshick
# --------------------------------------------------------

import numpy as np

def py_cpu_nms(dets, thresh):
    """Pure Python NMS baseline."""
    #x1、y1、x2	、y2、以及score赋值
    x1 = dets[:, 0]                     # pred bbox top_x
    y1 = dets[:, 1]                     # pred bbox top_y
    x2 = dets[:, 2]                     # pred bbox bottom_x
    y2 = dets[:, 3]                     # pred bbox bottom_y
    scores = dets[:, 4]              # pred bbox cls score
    #每一个检测框的面积
    areas = (x2 - x1 + 1) * (y2 - y1 + 1)    # pred bbox areas
    order = scores.argsort()[::-1]              # 对pred bbox按score做降序排序，对应step-2
    #保留的结果框集合
    keep = []    
    while order.size > 0:
        i = order[0]          # top-1 score bbox
        keep.append(i)   #保留该类剩余box中得分最高的一个
        #得到相交区域,左上及右下
        xx1 = np.maximum(x1[i], x1[order[1:]])   # top-1 bbox（score最大）与order中剩余bbox计算NMS
        yy1 = np.maximum(y1[i], y1[order[1:]])
        xx2 = np.minimum(x2[i], x2[order[1:]])
        yy2 = np.minimum(y2[i], y2[order[1:]])
        
        #计算相交的面积,不重叠时面积为0
        w = np.maximum(0.0, xx2 - xx1 + 1)
        h = np.maximum(0.0, yy2 - yy1 + 1)
        inter = w * h
        #计算IoU：重叠面积 /（面积1+面积2-重叠面积）
        ovr = inter / (areas[i] + areas[order[1:]] - inter)
        #保留IoU小于阈值的box
        inds = np.where(ovr <= thresh)[0]     # 这个操作可以对代码断点调试理解下	，结合step-3，我们希望剔除所有与当前top-1 bbox IoU > thresh的冗余bbox，那么保留下来的bbox	，自然就是ovr <= thresh的非冗余bbox，其inds保留下来，作进一步筛选
        #因为ovr数组的长度比order数组少一个，所以这里要将所有下标后移一位
        order = order[inds + 1]   # 保留有效bbox	，就是这轮NMS未被抑制掉的幸运儿，为什么 + 1？因为ind = 0就是这轮NMS的top-1，剩余有效bbox在IoU计算中与top-1做的计算	，inds对应回原数组，自然要做 +1 的映射，接下来就是step-4的循环

    return keep    # 最终NMS结果返回

if __name__ == '__main__':
    dets = np.array([[100,120,170,200,0.98],
                     [20,40,80,90,0.99],
                     [20,38,82,88,0.96],
                     [200,380,282,488,0.9],
                     [19,38,75,91, 0.8]])

    py_cpu_nms(dets, 0.5)

LOSS

从图片 resize 到网络结构 ，再到 NMS 都讲完了，最后再说下算法的重中之重，损失函数。

损失函数是一个复合损失函数 ，一共是 5 项相加：

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更详细的注释，可以看这张图：

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简单解释下：

所有的损失都是使用平方和误差公式，暂时先不看公式中的 与  ，输出的预测数值以及所造成的损失有:

  1. 预测框的中心点  。造成的损失是图五中的第一行 。其中 为控制函数 ，在标签中包含物体的那些格点处，该值为 1 ；若格点不含有物体，该值为 0。也就是只对那些有真实物体所属的格点进行损失计算 ，若该格点不包含物体，那么预测数值不对损失函数造成影响。 数值与标签用简单的平方和误差 。

  2. 预测框的宽高 。造成的损失是图五的第二行。 的含义一样，也是使得只有真实物体所属的格点才会造成损失 。这里对 在损失函数中的处理分别取了根号 ，原因在于，如果不取根号，损失函数往往更倾向于调整尺寸比较大的预测框。例如 ，20 个像素点的偏差，对于 800x600 的预测框几乎没有影响，此时的IOU数值还是很大 ，但是对于 30x40 的预测框影响就很大。取根号是为了尽可能的消除大尺寸框与小尺寸框之间的差异 。

  3. 第三行与第四行，都是预测框的置信度C。当该格点不含有物体时，即 =1 ， 该置信度的标签为0；若含有物体时 ，该置信度的标签为预测框与真实物体框的IOU数值（IOU计算公式为：两个框交集的面积除以并集的面积）。

  4. 第五行为物体类别概率P，对应的类别位置，该标签数值为1 ，其余位置为0，与分类网络相同 。

此时再来看 与 ，YOLO 面临的物体检测问题 ，是一个典型的类别数目不均衡的问题。其中 49 个格点，含有物体的格点往往只有 3、4 个，其余全是不含有物体的格点。此时如果不采取点措施 ，那么物体检测的mAP不会太高，因为模型更倾向于不含有物体的格点 。 与 的作用，就是让含有物体的格点 ，在损失函数中的权重更大，让模型更加“重视 ”含有物体的格点所造成的损失 。在论文中， 与 的取值分别为 5 与 0.5 。

最后

YOLO v1 的代码实现 ，有很多 ，Pytorch 和 Tensorflow 等各种版本都有，因为毕竟属于出名算法。

Github 一搜，找个 Star 高的即可 。

最后再送大家一本 ，帮助我拿到 BAT 等一线大厂 offer 的数据结构刷题笔记，是一位 Google 大神写的，对于算法薄弱或者需要提高的同学都十分受用：

谷歌和阿里大佬的Leetcode刷题笔记

以及我整理的 BAT 算法工程师学习路线 ，书籍+视频，完整的学习路线和说明，对于想成为算法工程师的 ，绝对能有所帮助（提取码：jack）：

我是如何成为算法工程师的，超详细的学习路线

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