python目标检测非极大抑制NMS与Soft-NMS

目录

睿智的目标检测31——非极大抑制NMS与Soft-NMS 注意事项学习前言什么是非极大抑制NMS1、非极大抑制NMS的实现过程2、柔性非极大抑制Soft-NMS的实现过程

注意事项

Soft-NMS对于大多数数据集而言，作用比较小，提升效果非常不明显，它起作用的地方是大量密集的同类重叠场景，大量密集的不同类重叠场景其实也没什么作用，同学们可以借助Soft-NMS理解非极大抑制的含义，但是实现的必要性确实不强，在提升网络性能上，不建议死磕Soft-NMS。

已对该博文中的代码进行了重置，视频中实现的代码是numpy形式，而且库比较久远。这里改成pytorch的形式，且适应当前的库。

学习前言

非极大抑制是目标检测中非常非常非常非常非常重要的一部分，了解一下原理，撕一下代码是必要的！

什么是非极大抑制NMS

非极大抑制的概念只需要看这两幅图就知道了：

下图是经过非极大抑制的。

下图是未经过非极大抑制的。

可以很明显的看出来，未经过非极大抑制的图片有许多重复的框，这些框都指向了同一个物体！

可以用一句话概括非极大抑制的功能就是：

筛选出一定区域内属于同一种类得分最大的框。

1、非极大抑制NMS的实现过程

本博文实现的是多分类的非极大抑制，该非极大抑制使用在我的pytorch-yolov3例子中：
输入shape为[ batch_size, all_anchors, 5+num_classes ]

第一个维度是图片的数量。
第二个维度是所有的预测框。
第三个维度是所有的预测框的预测结果。

非极大抑制的执行过程如下所示：
1、对所有图片进行循环。
2、找出该图片中得分大于门限函数的框。在进行重合框筛选前就进行得分的筛选可以大幅度减少框的数量。
3、判断第2步中获得的框的种类与得分。取出预测结果中框的位置与之进行堆叠。此时最后一维度里面的内容由5+num_classes变成了4+1+2，四个参数代表框的位置，一个参数代表预测框是否包含物体，两个参数分别代表种类的置信度与种类。
4、对种类进行循环，非极大抑制的作用是筛选出一定区域内属于同一种类得分最大的框，对种类进行循环可以帮助我们对每一个类分别进行非极大抑制。
5、根据得分对该种类进行从大到小排序。
6、每次取出得分最大的框，计算其与其它所有预测框的重合程度，重合程度过大的则剔除。

视频中实现的代码是numpy形式，而且库比较久远。这里改成pytorch的形式，且适应当前的库。

实现代码如下：

def bbox_iou(self, box1, box2, x1y1x2y2=True):    """        计算IOU    """    if not x1y1x2y2:        b1_x1, b1_x2 = box1[:, 0] - box1[:, 2] / 2, box1[:, 0] + box1[:, 2] / 2        b1_y1, b1_y2 = box1[:, 1] - box1[:, 3] / 2, box1[:, 1] + box1[:, 3] / 2        b2_x1, b2_x2 = box2[:, 0] - box2[:, 2] / 2, box2[:, 0] + box2[:, 2] / 2        b2_y1, b2_y2 = box2[:, 1] - box2[:, 3] / 2, box2[:, 1] + box2[:, 3] / 2    else:        b1_x1, b1_y1, b1_x2, b1_y2 = box1[:, 0], box1[:, 1], box1[:, 2], box1[:, 3]        b2_x1, b2_y1, b2_x2, b2_y2 = box2[:, 0], box2[:, 1], box2[:, 2], box2[:, 3]    inter_rect_x1 = torch.max(b1_x1, b2_x1)    inter_rect_y1 = torch.max(b1_y1, b2_y1)    inter_rect_x2 = torch.min(b1_x2, b2_x2)    inter_rect_y2 = torch.min(b1_y2, b2_y2)    inter_area = torch.clamp(inter_rect_x2 - inter_rect_x1, min=0) * \                torch.clamp(inter_rect_y2 - inter_rect_y1, min=0)                    b1_area = (b1_x2 - b1_x1) * (b1_y2 - b1_y1)    b2_area = (b2_x2 - b2_x1) * (b2_y2 - b2_y1)        iou = inter_area / torch.clamp(b1_area + b2_area - inter_area, min = 1e-6)    return ioudef non_max_suppression(self, prediction, num_classes, input_shape, image_shape, letterbox_image, conf_thres=0.5, nms_thres=0.4):    #----------------------------------------------------------#    #   将预测结果的格式转换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):        #----------------------------------------------------------#        #   对种类预测部分取max。        #   class_conf  [num_anchors, 1]    种类置信度        #   class_pred  [num_anchors, 1]    种类        #----------------------------------------------------------#        class_conf, class_pred = torch.max(image_pred[:, 5:5 + num_classes], 1, keepdim=True)        #----------------------------------------------------------#        #   利用置信度进行第一轮筛选        #----------------------------------------------------------#        conf_mask = (image_pred[:, 4] * class_conf[:, 0] >= conf_thres).squeeze()        #----------------------------------------------------------#        #   根据置信度进行预测结果的筛选        #----------------------------------------------------------#        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的内容为：x1, y1, x2, y2, obj_conf, class_conf, class_pred        #-------------------------------------------------------------------------#        detections = torch.cat((image_pred[:, :5], class_conf.float(), class_pred.float()), 1)        #------------------------------------------#        #   获得预测结果中包含的所有种类        #------------------------------------------#        unique_labels = detections[:, -1].cpu().unique()        if prediction.is_cuda:            unique_labels = unique_labels.cuda()            detections = detections.cuda()        for c in unique_labels:            #------------------------------------------#            #   获得某一类得分筛选后全部的预测结果            #------------------------------------------#            detections_class = detections[detections[:, -1] == c]            # #------------------------------------------#            # #   使用官方自带的非极大抑制会速度更快一些！            # #------------------------------------------#            # keep = nms(            #     detections_class[:, :4],            #     detections_class[:, 4] * detections_class[:, 5],            #     nms_thres            # )            # max_detections = detections_class[keep]                        # 按照存在物体的置信度排序            _, conf_sort_index = torch.sort(detections_class[:, 4]*detections_class[:, 5], descending=True)            detections_class = detections_class[conf_sort_index]            # 进行非极大抑制            max_detections = []            while detections_class.size(0):                # 取出这一类置信度最高的，一步一步往下判断，判断重合程度是否大于nms_thres，如果是则去除掉                max_detections.append(detections_class[0].unsqueeze(0))                if len(detections_class) == 1:                    break                ious = self.bbox_iou(max_detections[-1], detections_class[1:])                detections_class = detections_class[1:][ious < nms_thres]            # 堆叠            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

2、柔性非极大抑制Soft-NMS的实现过程

柔性非极大抑制和普通的非极大抑制相差不大，只差了几行代码。

柔性非极大抑制认为不应该直接只通过重合程度进行筛选，如图所示，很明显图片中存在两匹马，但是此时两匹马的重合程度较高，此时我们如果使用普通nms，后面那匹得分比较低的马会直接被剔除。

Soft-NMS认为在进行非极大抑制的时候要同时考虑得分和重合程度。

我们直接看NMS和Soft-NMS的代码差别：
视频中实现的代码是numpy形式，而且库比较久远。这里改成pytorch的形式，且适应当前的库。
如下为NMS：

while detections_class.size(0):    # 取出这一类置信度最高的，一步一步往下判断，判断重合程度是否大于nms_thres，如果是则去除掉    max_detections.append(detections_class[0].unsqueeze(0))    if len(detections_class) == 1:        break    ious = self.bbox_iou(max_detections[-1], detections_class[1:])    detections_class = detections_class[1:][ious < nms_thres]

如下为Soft-NMS：

while detections_class.size(0):    # 取出这一类置信度最高的，一步一步往下判断，判断重合程度是否大于nms_thres，如果是则去除掉    max_detections.append(detections_class[0].unsqueeze(0))    if len(detections_class) == 1:        break    ious                    = self.bbox_iou(max_detections[-1], detections_class[1:])    detections_class[1:, 4] = torch.exp(-(ious * ious) / sigma) * detections_class[1:, 4]    detections_class        = detections_class[1:]    detections_class        = detections_class[detections_class[:, 4] >= conf_thres]    arg_sort                = torch.argsort(detections_class[:, 4], descending = True)    detections_class        = detections_class[arg_sort]

我们可以看到，对于NMS而言，其直接将 与得分最大的框 重合程度较高的其它预测剔除。而Soft-NMS则以一个权重的形式，将获得的IOU取高斯指数后乘上原得分，之后重新排序。继续循环。

视频中实现的代码是numpy形式，而且库比较久远。这里改成pytorch的形式，且适应当前的库。
实现代码如下：

def bbox_iou(self, box1, box2, x1y1x2y2=True):    """        计算IOU    """    if not x1y1x2y2:        b1_x1, b1_x2 = box1[:, 0] - box1[:, 2] / 2, box1[:, 0] + box1[:, 2] / 2        b1_y1, b1_y2 = box1[:, 1] - box1[:, 3] / 2, box1[:, 1] + box1[:, 3] / 2        b2_x1, b2_x2 = box2[:, 0] - box2[:, 2] / 2, box2[:, 0] + box2[:, 2] / 2        b2_y1, b2_y2 = box2[:, 1] - box2[:, 3] / 2, box2[:, 1] + box2[:, 3] / 2    else:        b1_x1, b1_y1, b1_x2, b1_y2 = box1[:, 0], box1[:, 1], box1[:, 2], box1[:, 3]        b2_x1, b2_y1, b2_x2, b2_y2 = box2[:, 0], box2[:, 1], box2[:, 2], box2[:, 3]    inter_rect_x1 = torch.max(b1_x1, b2_x1)    inter_rect_y1 = torch.max(b1_y1, b2_y1)    inter_rect_x2 = torch.min(b1_x2, b2_x2)    inter_rect_y2 = torch.min(b1_y2, b2_y2)    inter_area = torch.clamp(inter_rect_x2 - inter_rect_x1, min=0) * \                torch.clamp(inter_rect_y2 - inter_rect_y1, min=0)                    b1_area = (b1_x2 - b1_x1) * (b1_y2 - b1_y1)    b2_area = (b2_x2 - b2_x1) * (b2_y2 - b2_y1)        iou = inter_area / torch.clamp(b1_area + b2_area - inter_area, min = 1e-6)    return ioudef non_max_suppression(self, prediction, num_classes, input_shape, image_shape, letterbox_image, conf_thres=0.5, nms_thres=0.4, sigma=0.5):    #----------------------------------------------------------#    #   将预测结果的格式转换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):        #----------------------------------------------------------#        #   对种类预测部分取max。        #   class_conf  [num_anchors, 1]    种类置信度        #   class_pred  [num_anchors, 1]    种类        #----------------------------------------------------------#        class_conf, class_pred = torch.max(image_pred[:, 5:5 + num_classes], 1, keepdim=True)        #----------------------------------------------------------#        #   利用置信度进行第一轮筛选        #----------------------------------------------------------#        conf_mask = (image_pred[:, 4] * class_conf[:, 0] >= conf_thres).squeeze()        #----------------------------------------------------------#        #   根据置信度进行预测结果的筛选        #----------------------------------------------------------#        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的内容为：x1, y1, x2, y2, obj_conf, class_conf, class_pred        #-------------------------------------------------------------------------#        detections = torch.cat((image_pred[:, :5], class_conf.float(), class_pred.float()), 1)        #------------------------------------------#        #   获得预测结果中包含的所有种类        #------------------------------------------#        unique_labels = detections[:, -1].cpu().unique()        if prediction.is_cuda:            unique_labels = unique_labels.cuda()            detections = detections.cuda()        for c in unique_labels:            #------------------------------------------#            #   获得某一类得分筛选后全部的预测结果            #------------------------------------------#            detections_class = detections[detections[:, -1] == c]            # #------------------------------------------#            # #   使用官方自带的非极大抑制会速度更快一些！            # #------------------------------------------#            # keep = nms(            #     detections_class[:, :4],            #     detections_class[:, 4] * detections_class[:, 5],            #     nms_thres            # )            # max_detections = detections_class[keep]                        # 按照存在物体的置信度排序            _, conf_sort_index = torch.sort(detections_class[:, 4]*detections_class[:, 5], descending=True)            detections_class = detections_class[conf_sort_index]            # 进行非极大抑制            max_detections = []            while detections_class.size(0):                # 取出这一类置信度最高的，一步一步往下判断，判断重合程度是否大于nms_thres，如果是则去除掉                max_detections.append(detections_class[0].unsqueeze(0))                if len(detections_class) == 1:                    break                ious                    = self.bbox_iou(max_detections[-1], detections_class[1:])                detections_class[1:, 4] = torch.exp(-(ious * ious) / sigma) * detections_class[1:, 4]                detections_class        = detections_class[1:]                detections_class        = detections_class[detections_class[:, 4] >= conf_thres]                arg_sort                = torch.argsort(detections_class[:, 4], descending = True)                detections_class        = detections_class[arg_sort]            # 堆叠            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

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