YOLOv5目标检测之anchor设定

目录

• 前言
• anchor的检测过程
• anchor产生过程
• 总结

前言

yolo算法作为one-stage领域的佼佼者，采用anchor-based的方法进行目标检测，使用不同尺度的anchor直接回归目标框并一次性输出目标框的位置和类别置信度。

为什么使用anchor进行检测？

最初的YOLOv1的初始训练过程很不稳定，在YOLOv2的设计过程中，作者观察了大量图片的ground truth，发现相同类别的目标实例具有相似的gt长宽比：比如车，gt都是矮胖的长方形；比如行人，gt都是瘦高的长方形。所以作者受此启发，从数据集中预先准备几个几率比较大的bounding box，再以它们为基准进行预测。

anchor的检测过程

首先，yolov5中使用的coco数据集输入图片的尺寸为640x640，但是训练过程的输入尺寸并不唯一，因为v5可以采用masaic增强技术把4张图片的部分组成了一张尺寸一定的输入图片。但是如果需要使用预训练权重，最好将输入图片尺寸调整到与作者相同的尺寸，而且输入图片尺寸必须是32的倍数，这与下面anchor检测的阶段有关。

上图是我自己绘制的v5 v6.0的网络结构图。当我们的输入尺寸为640*640时，会得到3个不同尺度的输出：80x80（640/8）、40x40（640/16）、20x20（640/32），即上图中的CSP2_3模块的输出。

anchors:
  - [10,13, 16,30, 33,23]  # P3/8
  - [30,61, 62,45, 59,119]  # P4/16
  - [116,90, 156,198, 373,326]  # P5/32

其中，80x80代表浅层的特征图（P3），包含较多的低层级信息，适合用于检测小目标，所以这一特征图所用的anchor尺度较小；同理，20x20代表深层的特征图（P5），包含更多高层级的信息，如轮廓、结构等信息，适合用于大目标的检测，所以这一特征图所用的anchor尺度较大。另外的40x40特征图（P4）上就用介于这两个尺度之间的anchor用来检测中等大小的目标。yolov5之所以能高效快速地检测跨尺度目标，这种对不同特征图使用不同尺度的anchor的思想功不可没。

以上就是yolov5中的anchors的具体解释。

anchor产生过程

对于大部分图片而言，由于其尺寸与我们预设的输入尺寸不符，所以在输入阶段就做了resize，导致预先标注的bounding box大小也发生变化。而anchor是根据我们输入网络中的bounding box大小计算得到的，所以在这个resize过程中就存在anchor重新聚类的过程。在yolov5/utils/autoanchor.py文件下，有一个函数kmeans_anchor，通过kmeans的方法计算得到anchor。具体如下：

def kmean_anchors(dataset='./data/coco128.yaml', n=9, img_size=640, thr=4.0, gen=1000, verbose=True):
    """ Creates kmeans-evolved anchors from training dataset

        Arguments:
            dataset: path to data.yaml, or a loaded dataset
            n: number of anchors
            img_size: image size used for training
            thr: anchor-label wh ratio threshold hyperparameter hyp['anchor_t'] used for training, default=4.0
            gen: generations to evolve anchors using genetic algorithm
            verbose: print all results

        Return:
            k: kmeans evolved anchors

        Usage:
            from utils.autoanchor import *; _ = kmean_anchors()
    """
    from scipy.cluster.vq import kmeans

    thr = 1. / thr
    prefix = colorstr('autoanchor: ')

    def metric(k, wh):  # compute metrics
        r = wh[:, None] / k[None]
        x = torch.min(r, 1. / r).min(2)[0]  # ratio metric
        # x = wh_iou(wh, torch.tensor(k))  # iou metric
        return x, x.max(1)[0]  # x, best_x

    def anchor_fitness(k):  # mutation fitness
        _, best = metric(torch.tensor(k, dtype=torch.float32), wh)
        return (best * (best > thr).float()).mean()  # fitness

    def print_results(k):
        k = k[np.argsort(k.prod(1))]  # sort small to large
        x, best = metric(k, wh0)
        bpr, aat = (best > thr).float().mean(), (x > thr).float().mean() * n  # best possible recall, anch > thr
        print(f'{prefix}thr={thr:.2f}: {bpr:.4f} best possible recall, {aat:.2f} anchors past thr')
        print(f'{prefix}n={n}, img_size={img_size}, metric_all={x.mean():.3f}/{best.mean():.3f}-mean/best, '
              f'past_thr={x[x > thr].mean():.3f}-mean: ', end='')
        for i, x in enumerate(k):
            print('%i,%i' % (round(x[0]), round(x[1])), end=',  ' if i < len(k) - 1 else '\n')  # use in *.cfg
        return k

    if isinstance(dataset, str):  # *.yaml file
        with open(dataset, errors='ignore') as f:
            data_dict = yaml.safe_load(f)  # model dict
        from datasets import LoadImagesAndLabels
        dataset = LoadImagesAndLabels(data_dict['train'], augment=True, rect=True)

    # Get label wh
    shapes = img_size * dataset.shapes / dataset.shapes.max(1, keepdims=True)
    wh0 = np.concatenate([l[:, 3:5] * s for s, l in zip(shapes, dataset.labels)])  # wh

    # Filter
    i = (wh0 < 3.0).any(1).sum()
    if i:
        print(f'{prefix}WARNING: Extremely small objects found. {i} of {len(wh0)} labels are < 3 pixels in size.')
    wh = wh0[(wh0 >= 2.0).any(1)]  # filter > 2 pixels
    # wh = wh * (np.random.rand(wh.shape[0], 1) * 0.9 + 0.1)  # multiply by random scale 0-1

    # Kmeans calculation
    print(f'{prefix}Running kmeans for {n} anchors on {len(wh)} points...')
    s = wh.std(0)  # sigmas for whitening
    k, dist = kmeans(wh / s, n, iter=30)  # points, mean distance
    assert len(k) == n, f'{prefix}ERROR: scipy.cluster.vq.kmeans requested {n} points but returned only {len(k)}'
    k *= s
    wh = torch.tensor(wh, dtype=torch.float32)  # filtered
    wh0 = torch.tensor(wh0, dtype=torch.float32)  # unfiltered
    k = print_results(k)

    # Plot
    # k, d = [None] * 20, [None] * 20
    # for i in tqdm(range(1, 21)):
    #     k[i-1], d[i-1] = kmeans(wh / s, i)  # points, mean distance
    # fig, ax = plt.subplots(1, 2, figsize=(14, 7), tight_layout=True)
    # ax = ax.ravel()
    # ax[0].plot(np.arange(1, 21), np.array(d) ** 2, marker='.')
    # fig, ax = plt.subplots(1, 2, figsize=(14, 7))  # plot wh
    # ax[0].hist(wh[wh[:, 0]<100, 0],400)
    # ax[1].hist(wh[wh[:, 1]<100, 1],400)
    # fig.savefig('wh.png', dpi=200)

    # Evolve
    npr = np.random
    f, sh, mp, s = anchor_fitness(k), k.shape, 0.9, 0.1  # fitness, generations, mutation prob, sigma
    pbar = tqdm(range(gen), desc=f'{prefix}Evolving anchors with Genetic Algorithm:')  # progress bar
    for _ in pbar:
        v = np.ones(sh)
        while (v == 1).all():  # mutate until a change occurs (prevent duplicates)
            v = ((npr.random(sh) < mp) * random.random() * npr.randn(*sh) * s + 1).clip(0.3, 3.0)
        kg = (k.copy() * v).clip(min=2.0)
        fg = anchor_fitness(kg)
        if fg > f:
            f, k = fg, kg.copy()
            pbar.desc = f'{prefix}Evolving anchors with Genetic Algorithm: fitness = {f:.4f}'
            if verbose:
                print_results(k)

    return print_results(k)

代码的注释部分其实已经对参数及调用方法解释的很清楚了，这里我只简单说一下：

Arguments:
          dataset: 数据的yaml路径
          n: 类簇的个数
          img_size: 训练过程中的图片尺寸（32的倍数）
          thr: anchor的长宽比阈值，将长宽比限制在此阈值之内
          gen: k-means算法最大迭代次数（不理解的可以去看k-means算法）
          verbose: 打印参数

Usage:
          from utils.autoanchor import *; _ = kmean_anchors()

总结

到此这篇关于YOLOv5目标检测之anchor设定的文章就介绍到这了,更多相关YOLOv5 anchor设定内容请搜索我们以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持我们！