Pytorch搭建yolo3目標(biāo)檢測平臺(tái)實(shí)現(xiàn)源碼
更新時(shí)間：2022年05月09日 14:04:43 作者：Bubbliiiing
這篇文章主要為大家介紹了Pytorch搭建yolo3目標(biāo)檢測平臺(tái)實(shí)現(xiàn)源碼，有需要的朋友可以借鑒參考下，希望能夠有所幫助，祝大家多多進(jìn)步，早日升職加薪
yolo3實(shí)現(xiàn)思路
一起來看看yolo3的Pytorch實(shí)現(xiàn)吧，順便訓(xùn)練一下自己的數(shù)據(jù)。
一、預(yù)測部分
1、主題網(wǎng)絡(luò)darknet53介紹
YoloV3所使用的主干特征提取網(wǎng)絡(luò)為Darknet53，它具有兩個(gè)重要特點(diǎn)：
1、Darknet53具有一個(gè)重要特點(diǎn)是使用了殘差網(wǎng)絡(luò)Residual，Darknet53中的殘差卷積就是首先進(jìn)行一次卷積核大小為3X3、步長為2的卷積，該卷積會(huì)壓縮輸入進(jìn)來的特征層的寬和高，此時(shí)我們可以獲得一個(gè)特征層，我們將該特征層命名為layer。之后我們再對(duì)該特征層進(jìn)行一次1X1的卷積和一次3X3的卷積，并把這個(gè)結(jié)果加上layer，此時(shí)我們便構(gòu)成了殘差結(jié)構(gòu)。通過不斷的1X1卷積和3X3卷積以及殘差邊的疊加，我們便大幅度的加深了網(wǎng)絡(luò)。殘差網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是容易優(yōu)化，并且能夠通過增加相當(dāng)?shù)纳疃葋硖岣邷?zhǔn)確率。其內(nèi)部的殘差塊使用了跳躍連接，緩解了在深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中增加深度帶來的梯度消失問題。
2、Darknet53的每一個(gè)卷積部分使用了特有的DarknetConv2D結(jié)構(gòu)，每一次卷積的時(shí)候進(jìn)行l(wèi)2正則化，完成卷積后進(jìn)行BatchNormalization標(biāo)準(zhǔn)化與LeakyReLU。普通的ReLU是將所有的負(fù)值都設(shè)為零，Leaky ReLU則是給所有負(fù)值賦予一個(gè)非零斜率。以數(shù)學(xué)的方式我們可以表示為：
實(shí)現(xiàn)代碼為：
import math
from collections import OrderedDict
import torch.nn as nn
#---------------------------------------------------------------------#
# 殘差結(jié)構(gòu)
# 利用一個(gè)1x1卷積下降通道數(shù)，然后利用一個(gè)3x3卷積提取特征并且上升通道數(shù)
# 最后接上一個(gè)殘差邊
#---------------------------------------------------------------------#
class BasicBlock(nn.Module):
def __init__(self, inplanes, planes):
super(BasicBlock, self).__init__()
self.conv1 = nn.Conv2d(inplanes, planes[0], kernel_size=1, stride=1, padding=0, bias=False)
self.bn1 = nn.BatchNorm2d(planes[0])
self.relu1 = nn.LeakyReLU(0.1)
self.conv2 = nn.Conv2d(planes[0], planes[1], kernel_size=3, stride=1, padding=1, bias=False)
self.bn2 = nn.BatchNorm2d(planes[1])
self.relu2 = nn.LeakyReLU(0.1)
def forward(self, x):
residual = x
out = self.conv1(x)
out = self.bn1(out)
out = self.relu1(out)
out = self.conv2(out)
out = self.bn2(out)
out = self.relu2(out)
out += residual
return out
class DarkNet(nn.Module):
def __init__(self, layers):
super(DarkNet, self).__init__()
self.inplanes = 32
# 416,416,3 -> 416,416,32
self.conv1 = nn.Conv2d(3, self.inplanes, kernel_size=3, stride=1, padding=1, bias=False)
self.bn1 = nn.BatchNorm2d(self.inplanes)
self.relu1 = nn.LeakyReLU(0.1)
# 416,416,32 -> 208,208,64
self.layer1 = self._make_layer([32, 64], layers[0])
# 208,208,64 -> 104,104,128
self.layer2 = self._make_layer([64, 128], layers[1])
# 104,104,128 -> 52,52,256
self.layer3 = self._make_layer([128, 256], layers[2])
# 52,52,256 -> 26,26,512
self.layer4 = self._make_layer([256, 512], layers[3])
# 26,26,512 -> 13,13,1024
self.layer5 = self._make_layer([512, 1024], layers[4])
self.layers_out_filters = [64, 128, 256, 512, 1024]
# 進(jìn)行權(quán)值初始化
for m in self.modules():
if isinstance(m, nn.Conv2d):
n = m.kernel_size[0] * m.kernel_size[1] * m.out_channels
m.weight.data.normal_(0, math.sqrt(2. / n))
elif isinstance(m, nn.BatchNorm2d):
m.weight.data.fill_(1)
m.bias.data.zero_()
#---------------------------------------------------------------------#
# 在每一個(gè)layer里面，首先利用一個(gè)步長為2的3x3卷積進(jìn)行下采樣
# 然后進(jìn)行殘差結(jié)構(gòu)的堆疊
#---------------------------------------------------------------------#
def _make_layer(self, planes, blocks):
layers = []
# 下采樣，步長為2，卷積核大小為3
layers.append(("ds_conv", nn.Conv2d(self.inplanes, planes[1], kernel_size=3, stride=2, padding=1, bias=False)))
layers.append(("ds_bn", nn.BatchNorm2d(planes[1])))
layers.append(("ds_relu", nn.LeakyReLU(0.1)))
# 加入殘差結(jié)構(gòu)
self.inplanes = planes[1]
for i in range(0, blocks):
layers.append(("residual_{}".format(i), BasicBlock(self.inplanes, planes)))
return nn.Sequential(OrderedDict(layers))
def forward(self, x):
x = self.conv1(x)
x = self.bn1(x)
x = self.relu1(x)
x = self.layer1(x)
x = self.layer2(x)
out3 = self.layer3(x)
out4 = self.layer4(out3)
out5 = self.layer5(out4)
return out3, out4, out5
def darknet53():
model = DarkNet([1, 2, 8, 8, 4])
return model
2、從特征獲取預(yù)測結(jié)果
從特征獲取預(yù)測結(jié)果的過程可以分為兩個(gè)部分，分別是：
構(gòu)建FPN特征金字塔進(jìn)行加強(qiáng)特征提取。
利用Yolo Head對(duì)三個(gè)有效特征層進(jìn)行預(yù)測。
a、構(gòu)建FPN特征金字塔進(jìn)行加強(qiáng)特征提取
在特征利用部分，YoloV3提取多特征層進(jìn)行目標(biāo)檢測，一共提取三個(gè)特征層。三個(gè)特征層位于主干部分Darknet53的不同位置，分別位于中間層，中下層，底層，三個(gè)特征層的shape分別為(52,52,256)、(26,26,512)、(13,13,1024)。
在獲得三個(gè)有效特征層后，我們利用這三個(gè)有效特征層進(jìn)行FPN層的構(gòu)建，構(gòu)建方式為：
- 13x13x1024的特征層進(jìn)行5次卷積處理，處理完后利用YoloHead獲得預(yù)測結(jié)果，一部分用于進(jìn)行上采樣UmSampling2d后與26x26x512特征層進(jìn)行結(jié)合，結(jié)合特征層的shape為(26,26,768)。
- 結(jié)合特征層再次進(jìn)行5次卷積處理，處理完后利用YoloHead獲得預(yù)測結(jié)果，一部分用于進(jìn)行上采樣UmSampling2d后與52x52x256特征層進(jìn)行結(jié)合，結(jié)合特征層的shape為(52,52,384)。
- 結(jié)合特征層再次進(jìn)行5次卷積處理，處理完后利用YoloHead獲得預(yù)測結(jié)果。
特征金字塔可以將不同shape的特征層進(jìn)行特征融合，有利于提取出更好的特征。
b、利用Yolo Head獲得預(yù)測結(jié)果
利用FPN特征金字塔，我們可以獲得三個(gè)加強(qiáng)特征，這三個(gè)加強(qiáng)特征的shape分別為(13,13,512)、(26,26,256)、(52,52,128)，然后我們利用這三個(gè)shape的特征層傳入Yolo Head獲得預(yù)測結(jié)果。
Yolo Head本質(zhì)上是一次3x3卷積加上一次1x1卷積，3x3卷積的作用是特征整合，1x1卷積的作用是調(diào)整通道數(shù)。
對(duì)三個(gè)特征層分別進(jìn)行處理，假設(shè)我們預(yù)測是的VOC數(shù)據(jù)集，我們的輸出層的shape分別為(13,13,75)，(26,26,75)，(52,52,75)，最后一個(gè)維度為75是因?yàn)樵搱D是基于voc數(shù)據(jù)集的，它的類為20種，YoloV3針對(duì)每一個(gè)特征層的每一個(gè)特征點(diǎn)存在3個(gè)先驗(yàn)框，所以預(yù)測結(jié)果的通道數(shù)為3x25；如果使用的是coco訓(xùn)練集，類則為80種，最后的維度應(yīng)該為255 = 3x85，三個(gè)特征層的shape為(13,13,255)，(26,26,255)，(52,52,255)
其實(shí)際情況就是，輸入N張416x416的圖片，在經(jīng)過多層的運(yùn)算后，會(huì)輸出三個(gè)shape分別為(N,13,13,255)，(N,26,26,255)，(N,52,52,255)的數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)每個(gè)圖分為13x13、26x26、52x52的網(wǎng)格上3個(gè)先驗(yàn)框的位置。
實(shí)現(xiàn)代碼如下：
from collections import OrderedDict
import torch
import torch.nn as nn
from nets.darknet import darknet53
def conv2d(filter_in, filter_out, kernel_size):
pad = (kernel_size - 1) // 2 if kernel_size else 0
return nn.Sequential(OrderedDict([
("conv", nn.Conv2d(filter_in, filter_out, kernel_size=kernel_size, stride=1, padding=pad, bias=False)),
("bn", nn.BatchNorm2d(filter_out)),
("relu", nn.LeakyReLU(0.1)),
]))
#------------------------------------------------------------------------#
# make_last_layers里面一共有七個(gè)卷積，前五個(gè)用于提取特征。
# 后兩個(gè)用于獲得yolo網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測結(jié)果
#------------------------------------------------------------------------#
def make_last_layers(filters_list, in_filters, out_filter):
m = nn.Sequential(
conv2d(in_filters, filters_list[0], 1),
conv2d(filters_list[0], filters_list[1], 3),
conv2d(filters_list[1], filters_list[0], 1),
conv2d(filters_list[0], filters_list[1], 3),
conv2d(filters_list[1], filters_list[0], 1),
conv2d(filters_list[0], filters_list[1], 3),
nn.Conv2d(filters_list[1], out_filter, kernel_size=1, stride=1, padding=0, bias=True)
)
return m
class YoloBody(nn.Module):
def __init__(self, anchors_mask, num_classes):
super(YoloBody, self).__init__()
#---------------------------------------------------#
# 生成darknet53的主干模型
# 獲得三個(gè)有效特征層，他們的shape分別是：
# 52,52,256
# 26,26,512
# 13,13,1024
#---------------------------------------------------#
self.backbone = darknet53()
#---------------------------------------------------#
# out_filters : [64, 128, 256, 512, 1024]
#---------------------------------------------------#
out_filters = self.backbone.layers_out_filters
#------------------------------------------------------------------------#
# 計(jì)算yolo_head的輸出通道數(shù)，對(duì)于voc數(shù)據(jù)集而言
# final_out_filter0 = final_out_filter1 = final_out_filter2 = 75
#------------------------------------------------------------------------#
self.last_layer0 = make_last_layers([512, 1024], out_filters[-1], len(anchors_mask[0]) * (num_classes + 5))
self.last_layer1_conv = conv2d(512, 256, 1)
self.last_layer1_upsample = nn.Upsample(scale_factor=2, mode='nearest')
self.last_layer1 = make_last_layers([256, 512], out_filters[-2] + 256, len(anchors_mask[1]) * (num_classes + 5))
self.last_layer2_conv = conv2d(256, 128, 1)
self.last_layer2_upsample = nn.Upsample(scale_factor=2, mode='nearest')
self.last_layer2 = make_last_layers([128, 256], out_filters[-3] + 128, len(anchors_mask[2]) * (num_classes + 5))
def forward(self, x):
#---------------------------------------------------#
# 獲得三個(gè)有效特征層，他們的shape分別是：
# 52,52,256；26,26,512；13,13,1024
#---------------------------------------------------#
x2, x1, x0 = self.backbone(x)
#---------------------------------------------------#
# 第一個(gè)特征層
# out0 = (batch_size,255,13,13)
#---------------------------------------------------#
# 13,13,1024 -> 13,13,512 -> 13,13,1024 -> 13,13,512 -> 13,13,1024 -> 13,13,512
out0_branch = self.last_layer0[:5](x0)
out0 = self.last_layer0[5:](out0_branch)
# 13,13,512 -> 13,13,256 -> 26,26,256
x1_in = self.last_layer1_conv(out0_branch)
x1_in = self.last_layer1_upsample(x1_in)
# 26,26,256 + 26,26,512 -> 26,26,768
x1_in = torch.cat([x1_in, x1], 1)
#---------------------------------------------------#
# 第二個(gè)特征層
# out1 = (batch_size,255,26,26)
#---------------------------------------------------#
# 26,26,768 -> 26,26,256 -> 26,26,512 -> 26,26,256 -> 26,26,512 -> 26,26,256
out1_branch = self.last_layer1[:5](x1_in)
out1 = self.last_layer1[5:](out1_branch)
# 26,26,256 -> 26,26,128 -> 52,52,128
x2_in = self.last_layer2_conv(out1_branch)
x2_in = self.last_layer2_upsample(x2_in)
# 52,52,128 + 52,52,256 -> 52,52,384
x2_in = torch.cat([x2_in, x2], 1)
#---------------------------------------------------#
# 第一個(gè)特征層
# out3 = (batch_size,255,52,52)
#---------------------------------------------------#
# 52,52,384 -> 52,52,128 -> 52,52,256 -> 52,52,128 -> 52,52,256 -> 52,52,128
out2 = self.last_layer2(x2_in)
return out0, out1, out2
3、預(yù)測結(jié)果的解碼
由第二步我們可以獲得三個(gè)特征層的預(yù)測結(jié)果，shape分別為：
- (N,13,13,255)
- (N,26,26,255)
- (N,52,52,255)
在這里我們簡單了解一下每個(gè)有效特征層到底做了什么：每一個(gè)有效特征層將整個(gè)圖片分成與其長寬對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格，如(N,13,13,255)的特征層就是將整個(gè)圖像分成13x13個(gè)網(wǎng)格；然后從每個(gè)網(wǎng)格中心建立多個(gè)先驗(yàn)框，這些框是網(wǎng)絡(luò)預(yù)先設(shè)定好的框，網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測結(jié)果會(huì)判斷這些框內(nèi)是否包含物體，以及這個(gè)物體的種類。
由于每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)都具有三個(gè)先驗(yàn)框，所以上述的預(yù)測結(jié)果可以reshape為：
- (N,13,13,3,85)
- (N,26,26,3,85)
- (N,52,52,3,85)
其中的85可以拆分為4+1+80，其中的4代表先驗(yàn)框的調(diào)整參數(shù)，1代表先驗(yàn)框內(nèi)是否包含物體，80代表的是這個(gè)先驗(yàn)框的種類，由于coco分了80類，所以這里是80。如果YoloV3只檢測兩類物體，那么這個(gè)85就變?yōu)榱?+1+2 = 7。
即85包含了4+1+80，分別代表x_offset、y_offset、h和w、置信度、分類結(jié)果。
但是這個(gè)預(yù)測結(jié)果并不對(duì)應(yīng)著最終的預(yù)測框在圖片上的位置，還需要解碼才可以完成。
YoloV3的解碼過程分為兩步：
- 先將每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)加上它對(duì)應(yīng)的x_offset和y_offset，加完后的結(jié)果就是預(yù)測框的中心。
- 然后再利用 先驗(yàn)框和h、w結(jié)合 計(jì)算出預(yù)測框的寬高。這樣就能得到整個(gè)預(yù)測框的位置了。
得到最終的預(yù)測結(jié)果后還要進(jìn)行得分排序與非極大抑制篩選。
這一部分基本上是所有目標(biāo)檢測通用的部分。其對(duì)于每一個(gè)類進(jìn)行判別：
1、取出每一類得分大于self.obj_threshold的框和得分。
2、利用框的位置和得分進(jìn)行非極大抑制。
實(shí)現(xiàn)代碼如下
import torch
import torch.nn as nn
from torchvision.ops import nms
import numpy as np
class DecodeBox():
def __init__(self, anchors, num_classes, input_shape, anchors_mask = [[6,7,8], [3,4,5], [0,1,2]]):
super(DecodeBox, self).__init__()
self.anchors = anchors
self.num_classes = num_classes
self.bbox_attrs = 5 + num_classes
self.input_shape = input_shape
#-----------------------------------------------------------#
# 13x13的特征層對(duì)應(yīng)的anchor是[116,90],[156,198],[373,326]
# 26x26的特征層對(duì)應(yīng)的anchor是[30,61],[62,45],[59,119]
# 52x52的特征層對(duì)應(yīng)的anchor是[10,13],[16,30],[33,23]
#-----------------------------------------------------------#
self.anchors_mask = anchors_mask
def decode_box(self, inputs):
outputs = []
for i, input in enumerate(inputs):
#-----------------------------------------------#
# 輸入的input一共有三個(gè)，他們的shape分別是
# batch_size, 255, 13, 13
# batch_size, 255, 26, 26
# batch_size, 255, 52, 52
#-----------------------------------------------#
batch_size = input.size(0)
input_height = input.size(2)
input_width = input.size(3)
#-----------------------------------------------#
# 輸入為416x416時(shí)
# stride_h = stride_w = 32、16、8
#-----------------------------------------------#
stride_h = self.input_shape[0] / input_height
stride_w = self.input_shape[1] / input_width
#-------------------------------------------------#
# 此時(shí)獲得的scaled_anchors大小是相對(duì)于特征層的
#-------------------------------------------------#
scaled_anchors = [(anchor_width / stride_w, anchor_height / stride_h) for anchor_width, anchor_height in self.anchors[self.anchors_mask[i]]]
#-----------------------------------------------#
# 輸入的input一共有三個(gè)，他們的shape分別是
# batch_size, 3, 13, 13, 85
# batch_size, 3, 26, 26, 85
# batch_size, 3, 52, 52, 85
#-----------------------------------------------#
prediction = input.view(batch_size, len(self.anchors_mask[i]),
self.bbox_attrs, input_height, input_width).permute(0, 1, 3, 4, 2).contiguous()
#-----------------------------------------------#
# 先驗(yàn)框的中心位置的調(diào)整參數(shù)
#-----------------------------------------------#
x = torch.sigmoid(prediction[..., 0])
y = torch.sigmoid(prediction[..., 1])
#-----------------------------------------------#
# 先驗(yàn)框的寬高調(diào)整參數(shù)
#-----------------------------------------------#
w = prediction[..., 2]
h = prediction[..., 3]
#-----------------------------------------------#
# 獲得置信度，是否有物體
#-----------------------------------------------#
conf = torch.sigmoid(prediction[..., 4])
#-----------------------------------------------#
# 種類置信度
#-----------------------------------------------#
pred_cls = torch.sigmoid(prediction[..., 5:])
FloatTensor = torch.cuda.FloatTensor if x.is_cuda else torch.FloatTensor
LongTensor = torch.cuda.LongTensor if x.is_cuda else torch.LongTensor
#----------------------------------------------------------#
# 生成網(wǎng)格，先驗(yàn)框中心，網(wǎng)格左上角
# batch_size,3,13,13
#----------------------------------------------------------#
grid_x = torch.linspace(0, input_width - 1, input_width).repeat(input_height, 1).repeat(
batch_size * len(self.anchors_mask[i]), 1, 1).view(x.shape).type(FloatTensor)
grid_y = torch.linspace(0, input_height - 1, input_height).repeat(input_width, 1).t().repeat(
batch_size * len(self.anchors_mask[i]), 1, 1).view(y.shape).type(FloatTensor)
#----------------------------------------------------------#
# 按照網(wǎng)格格式生成先驗(yàn)框的寬高
# batch_size,3,13,13
#----------------------------------------------------------#
anchor_w = FloatTensor(scaled_anchors).index_select(1, LongTensor([0]))
anchor_h = FloatTensor(scaled_anchors).index_select(1, LongTensor([1]))
anchor_w = anchor_w.repeat(batch_size, 1).repeat(1, 1, input_height * input_width).view(w.shape)
anchor_h = anchor_h.repeat(batch_size, 1).repeat(1, 1, input_height * input_width).view(h.shape)
#----------------------------------------------------------#
# 利用預(yù)測結(jié)果對(duì)先驗(yàn)框進(jìn)行調(diào)整
# 首先調(diào)整先驗(yàn)框的中心，從先驗(yàn)框中心向右下角偏移
# 再調(diào)整先驗(yàn)框的寬高。
#----------------------------------------------------------#
pred_boxes = FloatTensor(prediction[..., :4].shape)
pred_boxes[..., 0] = x.data + grid_x
pred_boxes[..., 1] = y.data + grid_y
pred_boxes[..., 2] = torch.exp(w.data) * anchor_w
pred_boxes[..., 3] = torch.exp(h.data) * anchor_h
#----------------------------------------------------------#
# 將輸出結(jié)果歸一化成小數(shù)的形式
#----------------------------------------------------------#
_scale = torch.Tensor([input_width, input_height, input_width, input_height]).type(FloatTensor)
output = torch.cat((pred_boxes.view(batch_size, -1, 4) / _scale,
conf.view(batch_size, -1, 1), pred_cls.view(batch_size, -1, self.num_classes)), -1)
outputs.append(output.data)
return outputs
def yolo_correct_boxes(self, box_xy, box_wh, input_shape, image_shape, letterbox_image):
#-----------------------------------------------------------------#
# 把y軸放前面是因?yàn)榉奖泐A(yù)測框和圖像的寬高進(jìn)行相乘
#-----------------------------------------------------------------#
box_yx = box_xy[..., ::-1]
box_hw = box_wh[..., ::-1]
input_shape = np.array(input_shape)
image_shape = np.array(image_shape)
if letterbox_image:
#-----------------------------------------------------------------#
# 這里求出來的offset是圖像有效區(qū)域相對(duì)于圖像左上角的偏移情況
# new_shape指的是寬高縮放情況
#-----------------------------------------------------------------#
new_shape = np.round(image_shape * np.min(input_shape/image_shape))
offset = (input_shape - new_shape)/2./input_shape
scale = input_shape/new_shape
box_yx = (box_yx - offset) * scale
box_hw *= scale
box_mins = box_yx - (box_hw / 2.)
box_maxes = box_yx + (box_hw / 2.)
boxes = np.concatenate([box_mins[..., 0:1], box_mins[..., 1:2], box_maxes[..., 0:1], box_maxes[..., 1:2]], axis=-1)
boxes *= np.concatenate([image_shape, image_shape], axis=-1)
return boxes
def non_max_suppression(self, prediction, num_classes, input_shape, image_shape, letterbox_image, conf_thres=0.5, nms_thres=0.4):
#----------------------------------------------------------#
# 將預(yù)測結(jié)果的格式轉(zhuǎn)換成左上角右下角的格式。
# prediction [batch_size, num_anchors, 85]
#----------------------------------------------------------#
box_corner = prediction.new(prediction.shape)
box_corner[:, :, 0] = prediction[:, :, 0] - prediction[:, :, 2] / 2
box_corner[:, :, 1] = prediction[:, :, 1] - prediction[:, :, 3] / 2
box_corner[:, :, 2] = prediction[:, :, 0] + prediction[:, :, 2] / 2
box_corner[:, :, 3] = prediction[:, :, 1] + prediction[:, :, 3] / 2
prediction[:, :, :4] = box_corner[:, :, :4]
output = [None for _ in range(len(prediction))]
for i, image_pred in enumerate(prediction):
#----------------------------------------------------------#
# 對(duì)種類預(yù)測部分取max。
# class_conf [num_anchors, 1] 種類置信度
# class_pred [num_anchors, 1] 種類
#----------------------------------------------------------#
class_conf, class_pred = torch.max(image_pred[:, 5:5 + num_classes], 1, keepdim=True)
#----------------------------------------------------------#
# 利用置信度進(jìn)行第一輪篩選
#----------------------------------------------------------#
conf_mask = (image_pred[:, 4] * class_conf[:, 0] >= conf_thres).squeeze()
#----------------------------------------------------------#
# 根據(jù)置信度進(jìn)行預(yù)測結(jié)果的篩選
#----------------------------------------------------------#
image_pred = image_pred[conf_mask]
class_conf = class_conf[conf_mask]
class_pred = class_pred[conf_mask]
if not image_pred.size(0):
continue
#-------------------------------------------------------------------------#
# detections [num_anchors, 7]
# 7的內(nèi)容為：x1, y1, x2, y2, obj_conf, class_conf, class_pred
#-------------------------------------------------------------------------#
detections = torch.cat((image_pred[:, :5], class_conf.float(), class_pred.float()), 1)
#------------------------------------------#
# 獲得預(yù)測結(jié)果中包含的所有種類
#------------------------------------------#
unique_labels = detections[:, -1].cpu().unique()
if prediction.is_cuda:
unique_labels = unique_labels.cuda()
detections = detections.cuda()
for c in unique_labels:
#------------------------------------------#
# 獲得某一類得分篩選后全部的預(yù)測結(jié)果
#------------------------------------------#
detections_class = detections[detections[:, -1] == c]
#------------------------------------------#
# 使用官方自帶的非極大抑制會(huì)速度更快一些！
#------------------------------------------#
keep = nms(
detections_class[:, :4],
detections_class[:, 4] * detections_class[:, 5],
nms_thres
)
max_detections = detections_class[keep]
# # 按照存在物體的置信度排序
# _, conf_sort_index = torch.sort(detections_class[:, 4]*detections_class[:, 5], descending=True)
# detections_class = detections_class[conf_sort_index]
# # 進(jìn)行非極大抑制
# max_detections = []
# while detections_class.size(0):
# # 取出這一類置信度最高的，一步一步往下判斷，判斷重合程度是否大于nms_thres，如果是則去除掉
# max_detections.append(detections_class[0].unsqueeze(0))
# if len(detections_class) == 1:
# break
# ious = bbox_iou(max_detections[-1], detections_class[1:])
# detections_class = detections_class[1:][ious < nms_thres]
# # 堆疊
# max_detections = torch.cat(max_detections).data
# Add max detections to outputs
output[i] = max_detections if output[i] is None else torch.cat((output[i], max_detections))
if output[i] is not None:
output[i] = output[i].cpu().numpy()
box_xy, box_wh = (output[i][:, 0:2] + output[i][:, 2:4])/2, output[i][:, 2:4] - output[i][:, 0:2]
output[i][:, :4] = self.yolo_correct_boxes(box_xy, box_wh, input_shape, image_shape, letterbox_image)
return output
4、在原圖上進(jìn)行繪制
通過第三步，我們可以獲得預(yù)測框在原圖上的位置，而且這些預(yù)測框都是經(jīng)過篩選的。
這些篩選后的框可以直接繪制在圖片上，就可以獲得結(jié)果了。
二、訓(xùn)練部分
1、計(jì)算loss所需參數(shù)
在計(jì)算loss的時(shí)候，實(shí)際上是pred和target之間的對(duì)比：
pred就是網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測結(jié)果。
target就是網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)框情況。
2、pred是什么
對(duì)于yolo3的模型來說，網(wǎng)絡(luò)最后輸出的內(nèi)容就是三個(gè)特征層每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)的預(yù)測框及其種類，即三個(gè)特征層分別對(duì)應(yīng)著圖片被分為不同size的網(wǎng)格后，每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上三個(gè)先驗(yàn)框?qū)?yīng)的位置、置信度及其種類。
輸出層的shape分別為(13,13,75)，(26,26,75)，(52,52,75)，最后一個(gè)維度為75是因?yàn)槭腔趘oc數(shù)據(jù)集的，它的類為20種，yolo3只有針對(duì)每一個(gè)特征層存在3個(gè)先驗(yàn)框，所以最后維度為3x25；
如果使用的是coco訓(xùn)練集，類則為80種，最后的維度應(yīng)該為255 = 3x85，三個(gè)特征層的shape為(13,13,255)，(26,26,255)，(52,52,255)
現(xiàn)在的y_pre還是沒有解碼的，解碼了之后才是真實(shí)圖像上的情況。
3、target是什么。
target就是一個(gè)真實(shí)圖像中，真實(shí)框的情況。第一個(gè)維度是batch_size，第二個(gè)維度是每一張圖片里面真實(shí)框的數(shù)量，第三個(gè)維度內(nèi)部是真實(shí)框的信息，包括位置以及種類。
4、loss的計(jì)算過程
拿到pred和target后，不可以簡單的減一下作為對(duì)比，需要進(jìn)行如下步驟。
- 判斷真實(shí)框在圖片中的位置，判斷其屬于哪一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)去檢測。判斷真實(shí)框和這個(gè)特征點(diǎn)的哪個(gè)先驗(yàn)框重合程度最高。計(jì)算該網(wǎng)格點(diǎn)應(yīng)該有怎么樣的預(yù)測結(jié)果才能獲得真實(shí)框，與真實(shí)框重合度最高的先驗(yàn)框被用于作為正樣本。
- 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測結(jié)果獲得預(yù)測框，計(jì)算預(yù)測框和所有真實(shí)框的重合程度，如果重合程度大于一定門限，則將該預(yù)測框?qū)?yīng)的先驗(yàn)框忽略。其余作為負(fù)樣本。
- 最終損失由三個(gè)部分組成：a、正樣本，編碼后的長寬與xy軸偏移量與預(yù)測值的差距。b、正樣本，預(yù)測結(jié)果中置信度的值與1對(duì)比；負(fù)樣本，預(yù)測結(jié)果中置信度的值與0對(duì)比。c、實(shí)際存在的框，種類預(yù)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的對(duì)比。
import torch
import torch.nn as nn
import math
import numpy as np
class YOLOLoss(nn.Module):
def __init__(self, anchors, num_classes, input_shape, cuda, anchors_mask = [[6,7,8], [3,4,5], [0,1,2]]):
super(YOLOLoss, self).__init__()
#-----------------------------------------------------------#
# 13x13的特征層對(duì)應(yīng)的anchor是[116,90],[156,198],[373,326]
# 26x26的特征層對(duì)應(yīng)的anchor是[30,61],[62,45],[59,119]
# 52x52的特征層對(duì)應(yīng)的anchor是[10,13],[16,30],[33,23]
#-----------------------------------------------------------#
self.anchors = anchors
self.num_classes = num_classes
self.bbox_attrs = 5 + num_classes
self.input_shape = input_shape
self.anchors_mask = anchors_mask
self.ignore_threshold = 0.7
self.cuda = cuda
def clip_by_tensor(self, t, t_min, t_max):
t = t.float()
result = (t >= t_min).float() * t + (t < t_min).float() * t_min
result = (result <= t_max).float() * result + (result > t_max).float() * t_max
return result
def MSELoss(self, pred, target):
return torch.pow(pred - target, 2)
def BCELoss(self, pred, target):
epsilon = 1e-7
pred = self.clip_by_tensor(pred, epsilon, 1.0 - epsilon)
output = - target * torch.log(pred) - (1.0 - target) * torch.log(1.0 - pred)
return output
def forward(self, l, input, targets=None):
#----------------------------------------------------#
# l代表的是，當(dāng)前輸入進(jìn)來的有效特征層，是第幾個(gè)有效特征層
# input的shape為 bs, 3*(5+num_classes), 13, 13
# bs, 3*(5+num_classes), 26, 26
# bs, 3*(5+num_classes), 52, 52
# targets代表的是真實(shí)框。
#----------------------------------------------------#
#--------------------------------#
# 獲得圖片數(shù)量，特征層的高和寬
# 13和13
#--------------------------------#
bs = input.size(0)
in_h = input.size(2)
in_w = input.size(3)
#-----------------------------------------------------------------------#
# 計(jì)算步長
# 每一個(gè)特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)原來的圖片上多少個(gè)像素點(diǎn)
# 如果特征層為13x13的話，一個(gè)特征點(diǎn)就對(duì)應(yīng)原來的圖片上的32個(gè)像素點(diǎn)
# 如果特征層為26x26的話，一個(gè)特征點(diǎn)就對(duì)應(yīng)原來的圖片上的16個(gè)像素點(diǎn)
# 如果特征層為52x52的話，一個(gè)特征點(diǎn)就對(duì)應(yīng)原來的圖片上的8個(gè)像素點(diǎn)
# stride_h = stride_w = 32、16、8
# stride_h和stride_w都是32。
#-----------------------------------------------------------------------#
stride_h = self.input_shape[0] / in_h
stride_w = self.input_shape[1] / in_w
#-------------------------------------------------#
# 此時(shí)獲得的scaled_anchors大小是相對(duì)于特征層的
#-------------------------------------------------#
scaled_anchors = [(a_w / stride_w, a_h / stride_h) for a_w, a_h in self.anchors]
#-----------------------------------------------#
# 輸入的input一共有三個(gè)，他們的shape分別是
# bs, 3*(5+num_classes), 13, 13 => batch_size, 3, 13, 13, 5 + num_classes
# batch_size, 3, 26, 26, 5 + num_classes
# batch_size, 3, 52, 52, 5 + num_classes
#-----------------------------------------------#
prediction = input.view(bs, len(self.anchors_mask[l]), self.bbox_attrs, in_h, in_w).permute(0, 1, 3, 4, 2).contiguous()
#-----------------------------------------------#
# 先驗(yàn)框的中心位置的調(diào)整參數(shù)
#-----------------------------------------------#
x = torch.sigmoid(prediction[..., 0])
y = torch.sigmoid(prediction[..., 1])
#-----------------------------------------------#
# 先驗(yàn)框的寬高調(diào)整參數(shù)
#-----------------------------------------------#
w = prediction[..., 2]
h = prediction[..., 3]
#-----------------------------------------------#
# 獲得置信度，是否有物體
#-----------------------------------------------#
conf = torch.sigmoid(prediction[..., 4])
#-----------------------------------------------#
# 種類置信度
#-----------------------------------------------#
pred_cls = torch.sigmoid(prediction[..., 5:])
#-----------------------------------------------#
# 獲得網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該有的預(yù)測結(jié)果
#-----------------------------------------------#
y_true, noobj_mask, box_loss_scale = self.get_target(l, targets, scaled_anchors, in_h, in_w)
#---------------------------------------------------------------#
# 將預(yù)測結(jié)果進(jìn)行解碼，判斷預(yù)測結(jié)果和真實(shí)值的重合程度
# 如果重合程度過大則忽略，因?yàn)檫@些特征點(diǎn)屬于預(yù)測比較準(zhǔn)確的特征點(diǎn)
# 作為負(fù)樣本不合適
#----------------------------------------------------------------#
noobj_mask = self.get_ignore(l, x, y, h, w, targets, scaled_anchors, in_h, in_w, noobj_mask)
if self.cuda:
y_true = y_true.cuda()
noobj_mask = noobj_mask.cuda()
box_loss_scale = box_loss_scale.cuda()
#-----------------------------------------------------------#
# reshape_y_true[...,2:3]和reshape_y_true[...,3:4]
# 表示真實(shí)框的寬高，二者均在0-1之間
# 真實(shí)框越大，比重越小，小框的比重更大。
#-----------------------------------------------------------#
box_loss_scale = 2 - box_loss_scale
#-----------------------------------------------------------#
# 計(jì)算中心偏移情況的loss，使用BCELoss效果好一些
#-----------------------------------------------------------#
loss_x = torch.sum(self.BCELoss(x, y_true[..., 0]) * box_loss_scale * y_true[..., 4])
loss_y = torch.sum(self.BCELoss(y, y_true[..., 1]) * box_loss_scale * y_true[..., 4])
#-----------------------------------------------------------#
# 計(jì)算寬高調(diào)整值的loss
#-----------------------------------------------------------#
loss_w = torch.sum(self.MSELoss(w, y_true[..., 2]) * 0.5 * box_loss_scale * y_true[..., 4])
loss_h = torch.sum(self.MSELoss(h, y_true[..., 3]) * 0.5 * box_loss_scale * y_true[..., 4])
#-----------------------------------------------------------#
# 計(jì)算置信度的loss
#-----------------------------------------------------------#
loss_conf = torch.sum(self.BCELoss(conf, y_true[..., 4]) * y_true[..., 4]) + \
torch.sum(self.BCELoss(conf, y_true[..., 4]) * noobj_mask)
loss_cls = torch.sum(self.BCELoss(pred_cls[y_true[..., 4] == 1], y_true[..., 5:][y_true[..., 4] == 1]))
loss = loss_x + loss_y + loss_w + loss_h + loss_conf + loss_cls
num_pos = torch.sum(y_true[..., 4])
num_pos = torch.max(num_pos, torch.ones_like(num_pos))
return loss, num_pos
def calculate_iou(self, _box_a, _box_b):
#-----------------------------------------------------------#
# 計(jì)算真實(shí)框的左上角和右下角
#-----------------------------------------------------------#
b1_x1, b1_x2 = _box_a[:, 0] - _box_a[:, 2] / 2, _box_a[:, 0] + _box_a[:, 2] / 2
b1_y1, b1_y2 = _box_a[:, 1] - _box_a[:, 3] / 2, _box_a[:, 1] + _box_a[:, 3] / 2
#-----------------------------------------------------------#
# 計(jì)算先驗(yàn)框獲得的預(yù)測框的左上角和右下角
#-----------------------------------------------------------#
b2_x1, b2_x2 = _box_b[:, 0] - _box_b[:, 2] / 2, _box_b[:, 0] + _box_b[:, 2] / 2
b2_y1, b2_y2 = _box_b[:, 1] - _box_b[:, 3] / 2, _box_b[:, 1] + _box_b[:, 3] / 2
#-----------------------------------------------------------#
# 將真實(shí)框和預(yù)測框都轉(zhuǎn)化成左上角右下角的形式
#-----------------------------------------------------------#
box_a = torch.zeros_like(_box_a)
box_b = torch.zeros_like(_box_b)
box_a[:, 0], box_a[:, 1], box_a[:, 2], box_a[:, 3] = b1_x1, b1_y1, b1_x2, b1_y2
box_b[:, 0], box_b[:, 1], box_b[:, 2], box_b[:, 3] = b2_x1, b2_y1, b2_x2, b2_y2
#-----------------------------------------------------------#
# A為真實(shí)框的數(shù)量，B為先驗(yàn)框的數(shù)量
#-----------------------------------------------------------#
A = box_a.size(0)
B = box_b.size(0)
#-----------------------------------------------------------#
# 計(jì)算交的面積
#-----------------------------------------------------------#
max_xy = torch.min(box_a[:, 2:].unsqueeze(1).expand(A, B, 2), box_b[:, 2:].unsqueeze(0).expand(A, B, 2))
min_xy = torch.max(box_a[:, :2].unsqueeze(1).expand(A, B, 2), box_b[:, :2].unsqueeze(0).expand(A, B, 2))
inter = torch.clamp((max_xy - min_xy), min=0)
inter = inter[:, :, 0] * inter[:, :, 1]
#-----------------------------------------------------------#
# 計(jì)算預(yù)測框和真實(shí)框各自的面積
#-----------------------------------------------------------#
area_a = ((box_a[:, 2]-box_a[:, 0]) * (box_a[:, 3]-box_a[:, 1])).unsqueeze(1).expand_as(inter) # [A,B]
area_b = ((box_b[:, 2]-box_b[:, 0]) * (box_b[:, 3]-box_b[:, 1])).unsqueeze(0).expand_as(inter) # [A,B]
#-----------------------------------------------------------#
# 求IOU
#-----------------------------------------------------------#
union = area_a + area_b - inter
return inter / union # [A,B]
def get_target(self, l, targets, anchors, in_h, in_w):
#-----------------------------------------------------#
# 計(jì)算一共有多少張圖片
#-----------------------------------------------------#
bs = len(targets)
#-----------------------------------------------------#
# 用于選取哪些先驗(yàn)框不包含物體
#-----------------------------------------------------#
noobj_mask = torch.ones(bs, len(self.anchors_mask[l]), in_h, in_w, requires_grad = False)
#-----------------------------------------------------#
# 讓網(wǎng)絡(luò)更加去關(guān)注小目標(biāo)
#-----------------------------------------------------#
box_loss_scale = torch.zeros(bs, len(self.anchors_mask[l]), in_h, in_w, requires_grad = False)
#-----------------------------------------------------#
# batch_size, 3, 13, 13, 5 + num_classes
#-----------------------------------------------------#
y_true = torch.zeros(bs, len(self.anchors_mask[l]), in_h, in_w, self.bbox_attrs, requires_grad = False)
for b in range(bs):
if len(targets[b])==0:
continue
batch_target = torch.zeros_like(targets[b])
#-------------------------------------------------------#
# 計(jì)算出正樣本在特征層上的中心點(diǎn)
#-------------------------------------------------------#
batch_target[:, [0,2]] = targets[b][:, [0,2]] * in_w
batch_target[:, [1,3]] = targets[b][:, [1,3]] * in_h
batch_target[:, 4] = targets[b][:, 4]
batch_target = batch_target.cpu()
#-------------------------------------------------------#
# 將真實(shí)框轉(zhuǎn)換一個(gè)形式
# num_true_box, 4
#-------------------------------------------------------#
gt_box = torch.FloatTensor(torch.cat((torch.zeros((batch_target.size(0), 2)), batch_target[:, 2:4]), 1))
#-------------------------------------------------------#
# 將先驗(yàn)框轉(zhuǎn)換一個(gè)形式
# 9, 4
#-------------------------------------------------------#
anchor_shapes = torch.FloatTensor(torch.cat((torch.zeros((len(anchors), 2)), torch.FloatTensor(anchors)), 1))
#-------------------------------------------------------#
# 計(jì)算交并比
# self.calculate_iou(gt_box, anchor_shapes) = [num_true_box, 9]每一個(gè)真實(shí)框和9個(gè)先驗(yàn)框的重合情況
# best_ns:
# [每個(gè)真實(shí)框最大的重合度max_iou, 每一個(gè)真實(shí)框最重合的先驗(yàn)框的序號(hào)]
#-------------------------------------------------------#
best_ns = torch.argmax(self.calculate_iou(gt_box, anchor_shapes), dim=-1)
for t, best_n in enumerate(best_ns):
if best_n not in self.anchors_mask[l]:
continue
#----------------------------------------#
# 判斷這個(gè)先驗(yàn)框是當(dāng)前特征點(diǎn)的哪一個(gè)先驗(yàn)框
#----------------------------------------#
k = self.anchors_mask[l].index(best_n)
#----------------------------------------#
# 獲得真實(shí)框?qū)儆谀膫€(gè)網(wǎng)格點(diǎn)
#----------------------------------------#
i = torch.floor(batch_target[t, 0]).long()
j = torch.floor(batch_target[t, 1]).long()
#----------------------------------------#
# 取出真實(shí)框的種類
#----------------------------------------#
c = batch_target[t, 4].long()
#----------------------------------------#
# noobj_mask代表無目標(biāo)的特征點(diǎn)
#----------------------------------------#
noobj_mask[b, k, j, i] = 0
#----------------------------------------#
# tx、ty代表中心調(diào)整參數(shù)的真實(shí)值
#----------------------------------------#
y_true[b, k, j, i, 0] = batch_target[t, 0] - i.float()
y_true[b, k, j, i, 1] = batch_target[t, 1] - j.float()
y_true[b, k, j, i, 2] = math.log(batch_target[t, 2] / anchors[best_n][0])
y_true[b, k, j, i, 3] = math.log(batch_target[t, 3] / anchors[best_n][1])
y_true[b, k, j, i, 4] = 1
y_true[b, k, j, i, c + 5] = 1
#----------------------------------------#
# 用于獲得xywh的比例
# 大目標(biāo)loss權(quán)重小，小目標(biāo)loss權(quán)重大
#----------------------------------------#
box_loss_scale[b, k, j, i] = batch_target[t, 2] * batch_target[t, 3] / in_w / in_h
return y_true, noobj_mask, box_loss_scale
def get_ignore(self, l, x, y, h, w, targets, scaled_anchors, in_h, in_w, noobj_mask):
#-----------------------------------------------------#
# 計(jì)算一共有多少張圖片
#-----------------------------------------------------#
bs = len(targets)
FloatTensor = torch.cuda.FloatTensor if x.is_cuda else torch.FloatTensor
LongTensor = torch.cuda.LongTensor if x.is_cuda else torch.LongTensor
#-----------------------------------------------------#
# 生成網(wǎng)格，先驗(yàn)框中心，網(wǎng)格左上角
#-----------------------------------------------------#
grid_x = torch.linspace(0, in_w - 1, in_w).repeat(in_h, 1).repeat(
int(bs * len(self.anchors_mask[l])), 1, 1).view(x.shape).type(FloatTensor)
grid_y = torch.linspace(0, in_h - 1, in_h).repeat(in_w, 1).t().repeat(
int(bs * len(self.anchors_mask[l])), 1, 1).view(y.shape).type(FloatTensor)
# 生成先驗(yàn)框的寬高
scaled_anchors_l = np.array(scaled_anchors)[self.anchors_mask[l]]
anchor_w = FloatTensor(scaled_anchors_l).index_select(1, LongTensor([0]))
anchor_h = FloatTensor(scaled_anchors_l).index_select(1, LongTensor([1]))
anchor_w = anchor_w.repeat(bs, 1).repeat(1, 1, in_h * in_w).view(w.shape)
anchor_h = anchor_h.repeat(bs, 1).repeat(1, 1, in_h * in_w).view(h.shape)
#-------------------------------------------------------#
# 計(jì)算調(diào)整后的先驗(yàn)框中心與寬高
#-------------------------------------------------------#
pred_boxes_x = torch.unsqueeze(x.data + grid_x, -1)
pred_boxes_y = torch.unsqueeze(y.data + grid_y, -1)
pred_boxes_w = torch.unsqueeze(torch.exp(w.data) * anchor_w, -1)
pred_boxes_h = torch.unsqueeze(torch.exp(h.data) * anchor_h, -1)
pred_boxes = torch.cat([pred_boxes_x, pred_boxes_y, pred_boxes_w, pred_boxes_h], dim = -1)
for b in range(bs):
#-------------------------------------------------------#
# 將預(yù)測結(jié)果轉(zhuǎn)換一個(gè)形式
# pred_boxes_for_ignore num_anchors, 4
#-------------------------------------------------------#
pred_boxes_for_ignore = pred_boxes[b].view(-1, 4)
#-------------------------------------------------------#
# 計(jì)算真實(shí)框，并把真實(shí)框轉(zhuǎn)換成相對(duì)于特征層的大小
# gt_box num_true_box, 4
#-------------------------------------------------------#
if len(targets[b]) > 0:
batch_target = torch.zeros_like(targets[b])
#-------------------------------------------------------#
# 計(jì)算出正樣本在特征層上的中心點(diǎn)
#-------------------------------------------------------#
batch_target[:, [0,2]] = targets[b][:, [0,2]] * in_w
batch_target[:, [1,3]] = targets[b][:, [1,3]] * in_h
batch_target = batch_target[:, :4]
#-------------------------------------------------------#
# 計(jì)算交并比
# anch_ious num_true_box, num_anchors
#-------------------------------------------------------#
anch_ious = self.calculate_iou(batch_target, pred_boxes_for_ignore)
#-------------------------------------------------------#
# 每個(gè)先驗(yàn)框?qū)?yīng)真實(shí)框的最大重合度
# anch_ious_max num_anchors
#-------------------------------------------------------#
anch_ious_max, _ = torch.max(anch_ious, dim = 0)
anch_ious_max = anch_ious_max.view(pred_boxes[b].size()[:3])
noobj_mask[b][anch_ious_max > self.ignore_threshold] = 0
return noobj_mask
訓(xùn)練自己的YoloV3模型
首先前往Github下載對(duì)應(yīng)的倉庫，下載完后利用解壓軟件解壓，之后用編程軟件打開文件夾。注意打開的根目錄必須正確，否則相對(duì)目錄不正確的情況下，代碼將無法運(yùn)行。一定要注意打開后的根目錄是文件存放的目錄。
一、數(shù)據(jù)集的準(zhǔn)備
本文使用VOC格式進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練前需要自己制作好數(shù)據(jù)集，如果沒有自己的數(shù)據(jù)集，可以通過Github連接下載VOC12+07的數(shù)據(jù)集嘗試下。
訓(xùn)練前將標(biāo)簽文件放在VOCdevkit文件夾下的VOC2007文件夾下的Annotation中。
訓(xùn)練前將圖片文件放在VOCdevkit文件夾下的VOC2007文件夾下的JPEGImages中。
此時(shí)數(shù)據(jù)集的擺放已經(jīng)結(jié)束。
二、數(shù)據(jù)集的處理
在完成數(shù)據(jù)集的擺放之后，我們需要對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行下一步的處理，目的是獲得訓(xùn)練用的2007_train.txt以及2007_val.txt，需要用到根目錄下的voc_annotation.py。
voc_annotation.py里面有一些參數(shù)需要設(shè)置。
分別是annotation_mode、classes_path、trainval_percent、train_percent、VOCdevkit_path，第一次訓(xùn)練可以僅修改classes_path
import torch
import torch.nn as nn
import math
import numpy as np
class YOLOLoss(nn.Module):
def __init__(self, anchors, num_classes, input_shape, cuda, anchors_mask = [[6,7,8], [3,4,5], [0,1,2]]):
super(YOLOLoss, self).__init__()
#-----------------------------------------------------------#
# 13x13的特征層對(duì)應(yīng)的anchor是[116,90],[156,198],[373,326]
# 26x26的特征層對(duì)應(yīng)的anchor是[30,61],[62,45],[59,119]
# 52x52的特征層對(duì)應(yīng)的anchor是[10,13],[16,30],[33,23]
#-----------------------------------------------------------#
self.anchors = anchors
self.num_classes = num_classes
self.bbox_attrs = 5 + num_classes
self.input_shape = input_shape
self.anchors_mask = anchors_mask
self.ignore_threshold = 0.7
self.cuda = cuda
def clip_by_tensor(self, t, t_min, t_max):
t = t.float()
result = (t >= t_min).float() * t + (t < t_min).float() * t_min
result = (result <= t_max).float() * result + (result > t_max).float() * t_max
return result
def MSELoss(self, pred, target):
return torch.pow(pred - target, 2)
def BCELoss(self, pred, target):
epsilon = 1e-7
pred = self.clip_by_tensor(pred, epsilon, 1.0 - epsilon)
output = - target * torch.log(pred) - (1.0 - target) * torch.log(1.0 - pred)
return output
def forward(self, l, input, targets=None):
#----------------------------------------------------#
# l代表的是，當(dāng)前輸入進(jìn)來的有效特征層，是第幾個(gè)有效特征層
# input的shape為 bs, 3*(5+num_classes), 13, 13
# bs, 3*(5+num_classes), 26, 26
# bs, 3*(5+num_classes), 52, 52
# targets代表的是真實(shí)框。
#----------------------------------------------------#
#--------------------------------#
# 獲得圖片數(shù)量，特征層的高和寬
# 13和13
#--------------------------------#
bs = input.size(0)
in_h = input.size(2)
in_w = input.size(3)
#-----------------------------------------------------------------------#
# 計(jì)算步長
# 每一個(gè)特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)原來的圖片上多少個(gè)像素點(diǎn)
# 如果特征層為13x13的話，一個(gè)特征點(diǎn)就對(duì)應(yīng)原來的圖片上的32個(gè)像素點(diǎn)
# 如果特征層為26x26的話，一個(gè)特征點(diǎn)就對(duì)應(yīng)原來的圖片上的16個(gè)像素點(diǎn)
# 如果特征層為52x52的話，一個(gè)特征點(diǎn)就對(duì)應(yīng)原來的圖片上的8個(gè)像素點(diǎn)
# stride_h = stride_w = 32、16、8
# stride_h和stride_w都是32。
#-----------------------------------------------------------------------#
stride_h = self.input_shape[0] / in_h
stride_w = self.input_shape[1] / in_w
#-------------------------------------------------#
# 此時(shí)獲得的scaled_anchors大小是相對(duì)于特征層的
#-------------------------------------------------#
scaled_anchors = [(a_w / stride_w, a_h / stride_h) for a_w, a_h in self.anchors]
#-----------------------------------------------#
# 輸入的input一共有三個(gè)，他們的shape分別是
# bs, 3*(5+num_classes), 13, 13 => batch_size, 3, 13, 13, 5 + num_classes
# batch_size, 3, 26, 26, 5 + num_classes
# batch_size, 3, 52, 52, 5 + num_classes
#-----------------------------------------------#
prediction = input.view(bs, len(self.anchors_mask[l]), self.bbox_attrs, in_h, in_w).permute(0, 1, 3, 4, 2).contiguous()
#-----------------------------------------------#
# 先驗(yàn)框的中心位置的調(diào)整參數(shù)
#-----------------------------------------------#
x = torch.sigmoid(prediction[..., 0])
y = torch.sigmoid(prediction[..., 1])
#-----------------------------------------------#
# 先驗(yàn)框的寬高調(diào)整參數(shù)
#-----------------------------------------------#
w = prediction[..., 2]
h = prediction[..., 3]
#-----------------------------------------------#
# 獲得置信度，是否有物體
#-----------------------------------------------#
conf = torch.sigmoid(prediction[..., 4])
#-----------------------------------------------#
# 種類置信度
#-----------------------------------------------#
pred_cls = torch.sigmoid(prediction[..., 5:])
#-----------------------------------------------#
# 獲得網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該有的預(yù)測結(jié)果
#-----------------------------------------------#
y_true, noobj_mask, box_loss_scale = self.get_target(l, targets, scaled_anchors, in_h, in_w)
#---------------------------------------------------------------#
# 將預(yù)測結(jié)果進(jìn)行解碼，判斷預(yù)測結(jié)果和真實(shí)值的重合程度
# 如果重合程度過大則忽略，因?yàn)檫@些特征點(diǎn)屬于預(yù)測比較準(zhǔn)確的特征點(diǎn)
# 作為負(fù)樣本不合適
#----------------------------------------------------------------#
noobj_mask = self.get_ignore(l, x, y, h, w, targets, scaled_anchors, in_h, in_w, noobj_mask)
if self.cuda:
y_true = y_true.cuda()
noobj_mask = noobj_mask.cuda()
box_loss_scale = box_loss_scale.cuda()
#-----------------------------------------------------------#
# reshape_y_true[...,2:3]和reshape_y_true[...,3:4]
# 表示真實(shí)框的寬高，二者均在0-1之間
# 真實(shí)框越大，比重越小，小框的比重更大。
#-----------------------------------------------------------#
box_loss_scale = 2 - box_loss_scale
#-----------------------------------------------------------#
# 計(jì)算中心偏移情況的loss，使用BCELoss效果好一些
#-----------------------------------------------------------#
loss_x = torch.sum(self.BCELoss(x, y_true[..., 0]) * box_loss_scale * y_true[..., 4])
loss_y = torch.sum(self.BCELoss(y, y_true[..., 1]) * box_loss_scale * y_true[..., 4])
#-----------------------------------------------------------#
# 計(jì)算寬高調(diào)整值的loss
#-----------------------------------------------------------#
loss_w = torch.sum(self.MSELoss(w, y_true[..., 2]) * 0.5 * box_loss_scale * y_true[..., 4])
loss_h = torch.sum(self.MSELoss(h, y_true[..., 3]) * 0.5 * box_loss_scale * y_true[..., 4])
#-----------------------------------------------------------#
# 計(jì)算置信度的loss
#-----------------------------------------------------------#
loss_conf = torch.sum(self.BCELoss(conf, y_true[..., 4]) * y_true[..., 4]) + \
torch.sum(self.BCELoss(conf, y_true[..., 4]) * noobj_mask)
loss_cls = torch.sum(self.BCELoss(pred_cls[y_true[..., 4] == 1], y_true[..., 5:][y_true[..., 4] == 1]))
loss = loss_x + loss_y + loss_w + loss_h + loss_conf + loss_cls
num_pos = torch.sum(y_true[..., 4])
num_pos = torch.max(num_pos, torch.ones_like(num_pos))
return loss, num_pos
def calculate_iou(self, _box_a, _box_b):
#-----------------------------------------------------------#
# 計(jì)算真實(shí)框的左上角和右下角
#-----------------------------------------------------------#
b1_x1, b1_x2 = _box_a[:, 0] - _box_a[:, 2] / 2, _box_a[:, 0] + _box_a[:, 2] / 2
b1_y1, b1_y2 = _box_a[:, 1] - _box_a[:, 3] / 2, _box_a[:, 1] + _box_a[:, 3] / 2
#-----------------------------------------------------------#
# 計(jì)算先驗(yàn)框獲得的預(yù)測框的左上角和右下角
#-----------------------------------------------------------#
b2_x1, b2_x2 = _box_b[:, 0] - _box_b[:, 2] / 2, _box_b[:, 0] + _box_b[:, 2] / 2
b2_y1, b2_y2 = _box_b[:, 1] - _box_b[:, 3] / 2, _box_b[:, 1] + _box_b[:, 3] / 2
#-----------------------------------------------------------#
# 將真實(shí)框和預(yù)測框都轉(zhuǎn)化成左上角右下角的形式
#-----------------------------------------------------------#
box_a = torch.zeros_like(_box_a)
box_b = torch.zeros_like(_box_b)
box_a[:, 0], box_a[:, 1], box_a[:, 2], box_a[:, 3] = b1_x1, b1_y1, b1_x2, b1_y2
box_b[:, 0], box_b[:, 1], box_b[:, 2], box_b[:, 3] = b2_x1, b2_y1, b2_x2, b2_y2
#-----------------------------------------------------------#
# A為真實(shí)框的數(shù)量，B為先驗(yàn)框的數(shù)量
#-----------------------------------------------------------#
A = box_a.size(0)
B = box_b.size(0)
#-----------------------------------------------------------#
# 計(jì)算交的面積
#-----------------------------------------------------------#
max_xy = torch.min(box_a[:, 2:].unsqueeze(1).expand(A, B, 2), box_b[:, 2:].unsqueeze(0).expand(A, B, 2))
min_xy = torch.max(box_a[:, :2].unsqueeze(1).expand(A, B, 2), box_b[:, :2].unsqueeze(0).expand(A, B, 2))
inter = torch.clamp((max_xy - min_xy), min=0)
inter = inter[:, :, 0] * inter[:, :, 1]
#-----------------------------------------------------------#
# 計(jì)算預(yù)測框和真實(shí)框各自的面積
#-----------------------------------------------------------#
area_a = ((box_a[:, 2]-box_a[:, 0]) * (box_a[:, 3]-box_a[:, 1])).unsqueeze(1).expand_as(inter) # [A,B]
area_b = ((box_b[:, 2]-box_b[:, 0]) * (box_b[:, 3]-box_b[:, 1])).unsqueeze(0).expand_as(inter) # [A,B]
#-----------------------------------------------------------#
# 求IOU
#-----------------------------------------------------------#
union = area_a + area_b - inter
return inter / union # [A,B]
def get_target(self, l, targets, anchors, in_h, in_w):
#-----------------------------------------------------#
# 計(jì)算一共有多少張圖片
#-----------------------------------------------------#
bs = len(targets)
#-----------------------------------------------------#
# 用于選取哪些先驗(yàn)框不包含物體
#-----------------------------------------------------#
noobj_mask = torch.ones(bs, len(self.anchors_mask[l]), in_h, in_w, requires_grad = False)
#-----------------------------------------------------#
# 讓網(wǎng)絡(luò)更加去關(guān)注小目標(biāo)
#-----------------------------------------------------#
box_loss_scale = torch.zeros(bs, len(self.anchors_mask[l]), in_h, in_w, requires_grad = False)
#-----------------------------------------------------#
# batch_size, 3, 13, 13, 5 + num_classes
#-----------------------------------------------------#
y_true = torch.zeros(bs, len(self.anchors_mask[l]), in_h, in_w, self.bbox_attrs, requires_grad = False)
for b in range(bs):
if len(targets[b])==0:
continue
batch_target = torch.zeros_like(targets[b])
#-------------------------------------------------------#
# 計(jì)算出正樣本在特征層上的中心點(diǎn)
#-------------------------------------------------------#
batch_target[:, [0,2]] = targets[b][:, [0,2]] * in_w
batch_target[:, [1,3]] = targets[b][:, [1,3]] * in_h
batch_target[:, 4] = targets[b][:, 4]
batch_target = batch_target.cpu()
#-------------------------------------------------------#
# 將真實(shí)框轉(zhuǎn)換一個(gè)形式
# num_true_box, 4
#-------------------------------------------------------#
gt_box = torch.FloatTensor(torch.cat((torch.zeros((batch_target.size(0), 2)), batch_target[:, 2:4]), 1))
#-------------------------------------------------------#
# 將先驗(yàn)框轉(zhuǎn)換一個(gè)形式
# 9, 4
#-------------------------------------------------------#
anchor_shapes = torch.FloatTensor(torch.cat((torch.zeros((len(anchors), 2)), torch.FloatTensor(anchors)), 1))
#-------------------------------------------------------#
# 計(jì)算交并比
# self.calculate_iou(gt_box, anchor_shapes) = [num_true_box, 9]每一個(gè)真實(shí)框和9個(gè)先驗(yàn)框的重合情況
# best_ns:
# [每個(gè)真實(shí)框最大的重合度max_iou, 每一個(gè)真實(shí)框最重合的先驗(yàn)框的序號(hào)]
#-------------------------------------------------------#
best_ns = torch.argmax(self.calculate_iou(gt_box, anchor_shapes), dim=-1)
for t, best_n in enumerate(best_ns):
if best_n not in self.anchors_mask[l]:
continue
#----------------------------------------#
# 判斷這個(gè)先驗(yàn)框是當(dāng)前特征點(diǎn)的哪一個(gè)先驗(yàn)框
#----------------------------------------#
k = self.anchors_mask[l].index(best_n)
#----------------------------------------#
# 獲得真實(shí)框?qū)儆谀膫€(gè)網(wǎng)格點(diǎn)
#----------------------------------------#
i = torch.floor(batch_target[t, 0]).long()
j = torch.floor(batch_target[t, 1]).long()
#----------------------------------------#
# 取出真實(shí)框的種類
#----------------------------------------#
c = batch_target[t, 4].long()
#----------------------------------------#
# noobj_mask代表無目標(biāo)的特征點(diǎn)
#----------------------------------------#
noobj_mask[b, k, j, i] = 0
#----------------------------------------#
# tx、ty代表中心調(diào)整參數(shù)的真實(shí)值
#----------------------------------------#
y_true[b, k, j, i, 0] = batch_target[t, 0] - i.float()
y_true[b, k, j, i, 1] = batch_target[t, 1] - j.float()
y_true[b, k, j, i, 2] = math.log(batch_target[t, 2] / anchors[best_n][0])
y_true[b, k, j, i, 3] = math.log(batch_target[t, 3] / anchors[best_n][1])
y_true[b, k, j, i, 4] = 1
y_true[b, k, j, i, c + 5] = 1
#----------------------------------------#
# 用于獲得xywh的比例
# 大目標(biāo)loss權(quán)重小，小目標(biāo)loss權(quán)重大
#----------------------------------------#
box_loss_scale[b, k, j, i] = batch_target[t, 2] * batch_target[t, 3] / in_w / in_h
return y_true, noobj_mask, box_loss_scale
def get_ignore(self, l, x, y, h, w, targets, scaled_anchors, in_h, in_w, noobj_mask):
#-----------------------------------------------------#
# 計(jì)算一共有多少張圖片
#-----------------------------------------------------#
bs = len(targets)
FloatTensor = torch.cuda.FloatTensor if x.is_cuda else torch.FloatTensor
LongTensor = torch.cuda.LongTensor if x.is_cuda else torch.LongTensor
#-----------------------------------------------------#
# 生成網(wǎng)格，先驗(yàn)框中心，網(wǎng)格左上角
#-----------------------------------------------------#
grid_x = torch.linspace(0, in_w - 1, in_w).repeat(in_h, 1).repeat(
int(bs * len(self.anchors_mask[l])), 1, 1).view(x.shape).type(FloatTensor)
grid_y = torch.linspace(0, in_h - 1, in_h).repeat(in_w, 1).t().repeat(
int(bs * len(self.anchors_mask[l])), 1, 1).view(y.shape).type(FloatTensor)
# 生成先驗(yàn)框的寬高
scaled_anchors_l = np.array(scaled_anchors)[self.anchors_mask[l]]
anchor_w = FloatTensor(scaled_anchors_l).index_select(1, LongTensor([0]))
anchor_h = FloatTensor(scaled_anchors_l).index_select(1, LongTensor([1]))
anchor_w = anchor_w.repeat(bs, 1).repeat(1, 1, in_h * in_w).view(w.shape)
anchor_h = anchor_h.repeat(bs, 1).repeat(1, 1, in_h * in_w).view(h.shape)
#-------------------------------------------------------#
# 計(jì)算調(diào)整后的先驗(yàn)框中心與寬高
#-------------------------------------------------------#
pred_boxes_x = torch.unsqueeze(x.data + grid_x, -1)
pred_boxes_y = torch.unsqueeze(y.data + grid_y, -1)
pred_boxes_w = torch.unsqueeze(torch.exp(w.data) * anchor_w, -1)
pred_boxes_h = torch.unsqueeze(torch.exp(h.data) * anchor_h, -1)
pred_boxes = torch.cat([pred_boxes_x, pred_boxes_y, pred_boxes_w, pred_boxes_h], dim = -1)
for b in range(bs):
#-------------------------------------------------------#
# 將預(yù)測結(jié)果轉(zhuǎn)換一個(gè)形式
# pred_boxes_for_ignore num_anchors, 4
#-------------------------------------------------------#
pred_boxes_for_ignore = pred_boxes[b].view(-1, 4)
#-------------------------------------------------------#
# 計(jì)算真實(shí)框，并把真實(shí)框轉(zhuǎn)換成相對(duì)于特征層的大小
# gt_box num_true_box, 4
#-------------------------------------------------------#
if len(targets[b]) > 0:
batch_target = torch.zeros_like(targets[b])
#-------------------------------------------------------#
# 計(jì)算出正樣本在特征層上的中心點(diǎn)
#-------------------------------------------------------#
batch_target[:, [0,2]] = targets[b][:, [0,2]] * in_w
batch_target[:, [1,3]] = targets[b][:, [1,3]] * in_h
batch_target = batch_target[:, :4]
#-------------------------------------------------------#
# 計(jì)算交并比
# anch_ious num_true_box, num_anchors
#-------------------------------------------------------#
anch_ious = self.calculate_iou(batch_target, pred_boxes_for_ignore)
#-------------------------------------------------------#
# 每個(gè)先驗(yàn)框?qū)?yīng)真實(shí)框的最大重合度
# anch_ious_max num_anchors
#-------------------------------------------------------#
anch_ious_max, _ = torch.max(anch_ious, dim = 0)
anch_ious_max = anch_ious_max.view(pred_boxes[b].size()[:3])
noobj_mask[b][anch_ious_max > self.ignore_threshold] = 0
return noobj_mask
classes_path用于指向檢測類別所對(duì)應(yīng)的txt，以voc數(shù)據(jù)集為例，我們用的txt為：
訓(xùn)練自己的數(shù)據(jù)集時(shí)，可以自己建立一個(gè)cls_classes.txt，里面寫自己所需要區(qū)分的類別。
三、開始網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練
通過voc_annotation.py我們已經(jīng)生成了2007_train.txt以及2007_val.txt，此時(shí)我們可以開始訓(xùn)練了。
訓(xùn)練的參數(shù)較多，大家可以在下載庫后仔細(xì)看注釋，其中最重要的部分依然是train.py里的classes_path。
classes_path用于指向檢測類別所對(duì)應(yīng)的txt，這個(gè)txt和voc_annotation.py里面的txt一樣！訓(xùn)練自己的數(shù)據(jù)集必須要修改！
修改完classes_path后就可以運(yùn)行train.py開始訓(xùn)練了，在訓(xùn)練多個(gè)epoch后，權(quán)值會(huì)生成在logs文件夾中。
其它參數(shù)的作用如下：
#-------------------------------# # 是否使用Cuda # 沒有GPU可以設(shè)置成False #-------------------------------# Cuda = True #--------------------------------------------------------# # 訓(xùn)練前一定要修改classes_path，使其對(duì)應(yīng)自己的數(shù)據(jù)集 #--------------------------------------------------------# classes_path = 'model_data/voc_classes.txt' #---------------------------------------------------------------------# # anchors_path代表先驗(yàn)框?qū)?yīng)的txt文件，一般不修改。 # anchors_mask用于幫助代碼找到對(duì)應(yīng)的先驗(yàn)框，一般不修改。 #---------------------------------------------------------------------# anchors_path = 'model_data/yolo_anchors.txt' anchors_mask = [[6, 7, 8], [3, 4, 5], [0, 1, 2]] #------------------------------------------------------------------------------------------------------# # 權(quán)值文件請看README，百度網(wǎng)盤下載。數(shù)據(jù)的預(yù)訓(xùn)練權(quán)重對(duì)不同數(shù)據(jù)集是通用的，因?yàn)樘卣魇峭ㄓ玫? # 預(yù)訓(xùn)練權(quán)重對(duì)于99%的情況都必須要用，不用的話權(quán)值太過隨機(jī)，特征提取效果不明顯，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的結(jié)果也不會(huì)好。 # 如果想要斷點(diǎn)續(xù)練就將model_path設(shè)置成logs文件夾下已經(jīng)訓(xùn)練的權(quán)值文件。 #------------------------------------------------------------------------------------------------------# model_path = 'model_data/yolo_weights.pth' #------------------------------------------------------# # 輸入的shape大小，一定要是32的倍數(shù) #------------------------------------------------------# input_shape = [416, 416] #----------------------------------------------------# # 訓(xùn)練分為兩個(gè)階段，分別是凍結(jié)階段和解凍階段。 # 顯存不足與數(shù)據(jù)集大小無關(guān)，提示顯存不足請調(diào)小batch_size。 # 受到BatchNorm層影響，batch_size最小為1。 #----------------------------------------------------# #----------------------------------------------------# # 凍結(jié)階段訓(xùn)練參數(shù) # 此時(shí)模型的主干被凍結(jié)了，特征提取網(wǎng)絡(luò)不發(fā)生改變 # 占用的顯存較小，僅對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行微調(diào) #----------------------------------------------------# Init_Epoch = 0 Freeze_Epoch = 50 Freeze_batch_size = 8 Freeze_lr = 1e-3 #----------------------------------------------------# # 解凍階段訓(xùn)練參數(shù) # 此時(shí)模型的主干不被凍結(jié)了，特征提取網(wǎng)絡(luò)會(huì)發(fā)生改變 # 占用的顯存較大，網(wǎng)絡(luò)所有的參數(shù)都會(huì)發(fā)生改變 #----------------------------------------------------# UnFreeze_Epoch = 100 Unfreeze_batch_size = 4 Unfreeze_lr = 1e-4 #------------------------------------------------------# # 是否進(jìn)行凍結(jié)訓(xùn)練，默認(rèn)先凍結(jié)主干訓(xùn)練后解凍訓(xùn)練。 #------------------------------------------------------# Freeze_Train = True #------------------------------------------------------# # 用于設(shè)置是否使用多線程讀取數(shù)據(jù) # 開啟后會(huì)加快數(shù)據(jù)讀取速度，但是會(huì)占用更多內(nèi)存 # 內(nèi)存較小的電腦可以設(shè)置為2或者0 #------------------------------------------------------# num_workers = 4 #----------------------------------------------------# # 獲得圖片路徑和標(biāo)簽 #----------------------------------------------------# train_annotation_path = '2007_train.txt' val_annotation_path = '2007_val.txt'
四、訓(xùn)練結(jié)果預(yù)測
訓(xùn)練結(jié)果預(yù)測需要用到兩個(gè)文件，分別是yolo.py和predict.py。
我們首先需要去yolo.py里面修改model_path以及classes_path，這兩個(gè)參數(shù)必須要修改。
model_path指向訓(xùn)練好的權(quán)值文件，在logs文件夾里。
classes_path指向檢測類別所對(duì)應(yīng)的txt。
完成修改后就可以運(yùn)行predict.py進(jìn)行檢測了。運(yùn)行后輸入圖片路徑即可檢測。
以上就是Pytorch搭建yolo3目標(biāo)檢測平臺(tái)實(shí)現(xiàn)源碼的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Pytorch yolo3目標(biāo)檢測的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！
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