全面解析YOLO V4网络结构

作者｜周威，https://zhuanlan.zhihu.com/p/150127712

本文已获作者授权，不得二次转载。

1.前言

最近用YOLO V4做车辆检测，配合某一目标追踪算法实现车辆追踪+轨迹提取等功能，正好就此结合论文和代码来对YOLO V4做个解析。先放上个效果图（半成品），如下：

话不多说，现在就开始对YOLO V4进行总结。

YOLO V4的论文：《YOLOv4: Optimal Speed and Accuracy of Object Detection》，相信大家也是经常看到这几个词眼：大神接棒、YOLO V4来了、Tricks 万花筒等等。

没错，通过阅读YOLO V4的原文，我觉得它更像一篇目标检测模型Tricks文献综述,可见作者在目标检测领域的知识（炼丹技术）积累之多。

从本质上，YOLO V4就是筛选了一些从YOLO V3发布至今，被用在各式各样检测器上，能够提高检测精度的tricks，并以YOLO V3为基础进行改进的目标检测模型。YOLO V4在保证速度的同时，大幅提高模型的检测精度(当然，这是相较于YOLO V3的）。

上图可以看出来，虽然检测精度不如EfficientDet这种变态，但是速度上是遥遥领先的，说明YOLO V4并没有忘记初心（速度和精度的trade off，我YOLO才是佼佼者）！

其实我是比较推荐大家看看YOLO V4原文的，就当炼丹手册来看也是挺好的，如果你懒得看，那这里我贴出来一张图，就是最终YOLO V4的炼丹配方，如下：

YOLO V4炼丹配方

这么一看，这炼丹配方多清晰呀,和YOLO V3对比,主要做了以下改变:

相较于YOLO V3的DarkNet53，YOLO V4用了CSPDarkNet53
相较于YOLO V3的FPN,YOLO V4用了SPP+PAN
CutMix数据增强和马赛克（Mosaic）数据增强
DropBlock正则化
等等

这技巧太多了，着实让人数不过来。按照惯例，我喜欢结合代码对模型进行解析，论文的话看个思路，实现的细节还是在代码中体现的较具体。原作者YOLO V4的代码是基于C++的，如下：

YOLO V4 C++(原版）

https://github.com/AlexeyAB/darknet

这个解析起来太麻烦了，我找了个看起来不麻烦的，基于Keras+Tensorflow的，如下：

YOLO V4 Keras版本

https://github.com/Ma-Dan/keras-yolo4

本次YOLO V4论文和代码解析也将基于这个版本的进行的啦！

后面的内容将按照以下步骤进行介绍。

（1）YOLO V4的网络结构
（2）YOLO V4的损失函数
（3）一些Tricks的具体代码实现

2. YOLO V4的网络结构

这里我先给出YOLO V4的总结构图，如下

主要有以下两部分组成

BackBone:CSPDarknet53
Neck:SPP+PAN

接下面将逐个分析！

2.1 BackBone:CSPDarknet53

目前做检测器MAP指标的提升，都会考虑选择一个图像特征提取能力较强的backbone，且不能太大，那样影响检测的速度。YOLO V4中，则是选择了具有CSP（Cross-stage partial connections）的darknet53,而是没有选择在imagenet上跑分更高的CSPResNext50,

原因很简单，如上表，作者说：

For instance, our numerous studies demonstrate that the CSPResNext50 is
considerably better compared to CSPDarknet53 in terms of object classification on the ILSVRC2012 (ImageNet) dataset [. However, conversely, the CSPDarknet53 is
better compared to CSPResNext50 in terms of detecting objects on the MS COCO dataset

意思就是结合了在目标检测领域的精度来说，CSPDarknet53是要强于CSPResNext50，这也告诉了我们，在图像分类上任务表现好的模型，不一定很适用于目标检测（这不是绝对的！）。

那么这个带有CSP结构的Darknet53，到底长什么样呢？如果对CSP结构感兴趣的，欢迎点击原文链接。

这里我们直接从代码上看看这个CSPDarknet53什么样子，定义如下


   
     
   
   
   def darknet_body(x):    '''Darknent body having 52 Convolution2D layers'''    x = DarknetConv2D_BN_Mish(32, (3,3))(x)    x = resblock_body(x, 64, 1, False)    x = resblock_body(x, 128, 2)    x = resblock_body(x, 256, 8)    x = resblock_body(x, 512, 8)    x = resblock_body(x, 1024, 4)    return x

如果把堆叠的残差单元(resblock_body)看成整体的话，那么这个结构和Darknet53以及ResNet等的确差别不大，特别是resblock_body的num_blocks为【1，2，8，8，4】和darknet53一模一样。

那么我们解析一下resblock_body的定义，如下：


   
     
   
   
   def resblock_body(x, num_filters, num_blocks, all_narrow=True):    '''A series of resblocks starting with a downsampling Convolution2D'''    # Darknet uses left and top padding instead of 'same' mode    preconv1 = ZeroPadding2D(((1,0),(1,0)))(x)    preconv1 = DarknetConv2D_BN_Mish(num_filters, (3,3), strides=(2,2))(preconv1)    shortconv = DarknetConv2D_BN_Mish(num_filters//2 if all_narrow else num_filters, (1,1))(preconv1)    mainconv = DarknetConv2D_BN_Mish(num_filters//2 if all_narrow else num_filters, (1,1))(preconv1)    for i in range(num_blocks):        y = compose(                DarknetConv2D_BN_Mish(num_filters//2, (1,1)),                DarknetConv2D_BN_Mish(num_filters//2 if all_narrow else num_filters, (3,3)))(mainconv)        mainconv = Add()([mainconv,y])    postconv = DarknetConv2D_BN_Mish(num_filters//2 if all_narrow else num_filters, (1,1))(mainconv)    route = Concatenate()([postconv, shortconv])    return DarknetConv2D_BN_Mish(num_filters, (1,1))(route)

这么一看，和传统的ResBlock差别就出来了，为了大家更清晰地了解结构，我把这个残差单元的结构绘制出来，如下：

对照代码和上面的图片，可以比较清晰地看出来这个CSP残差单元和DarkNet/ResNet的残差单元的区别了。当然了，图上的DarknetConv2D_BN_Mish模块定义如下

(1) DarknetConv2D_BN_Mish

def DarknetConv2D_BN_Mish(*args, **kwargs):    """Darknet Convolution2D followed by BatchNormalization and LeakyReLU."""    no_bias_kwargs = {'use_bias': False}    no_bias_kwargs.update(kwargs)    return compose(        DarknetConv2D(*args, **no_bias_kwargs),        BatchNormalization(),        Mish())(2) DarknetConv2Ddef DarknetConv2D(*args, **kwargs):    """Wrapper to set Darknet parameters for Convolution2D."""    darknet_conv_kwargs = {}    darknet_conv_kwargs['kernel_initializer'] = keras.initializers.RandomNormal(mean=0.0, stddev=0.01)    darknet_conv_kwargs['padding'] = 'valid' if kwargs.get('strides')==(2,2) else 'same'    darknet_conv_kwargs.update(kwargs)    return Conv2D(*args, **darknet_conv_kwargs)

至此，YOLO V4的backbone部分就讲解完毕了。

2.2 Neck:SPP+PAN

目标检测模型的Neck部分主要用来融合不同尺寸特征图的特征信息。常见的有MaskRCNN中使用的FPN等，这里我们用EfficientDet论文中的一张图来进行说明。

可见，随着人们追求检测器在COCO数据集上的MAP指标,Neck部分也是出了很多花里胡哨的结构呀。

本文中的YOLO V4就是用到了SPP（Spatial pyramid pooling）+PAN(Path Aggregation Network，上图的结构b)。

这里我们根据总图上的process1-6,对SSP+PAN部分进行解析。

(1) 其中process1的代码实现为：

   
     
   
   
       y19 = DarknetConv2D_BN_Leaky(512, (1,1))(darknet.output)    y19 = DarknetConv2D_BN_Leaky(1024, (3,3))(y19)    y19 = DarknetConv2D_BN_Leaky(512, (1,1))(y19)    maxpool1 = MaxPooling2D(pool_size=(13,13), strides=(1,1), padding='same')(y19) #（19，19）    maxpool2 = MaxPooling2D(pool_size=(9,9), strides=(1,1), padding='same')(y19) #（19，19）    maxpool3 = MaxPooling2D(pool_size=(5,5), strides=(1,1), padding='same')(y19) #（19，19）    y19 = Concatenate()([maxpool1, maxpool2, maxpool3, y19])    y19 = DarknetConv2D_BN_Leaky(512, (1,1))(y19)    y19 = DarknetConv2D_BN_Leaky(1024, (3,3))(y19)    y19 = DarknetConv2D_BN_Leaky(512, (1,1))(y19)

显而易见，该进程接受CSPDarknet53最终的输出，返回变量y19(如总图上process1所示），这里我们也给出图示，如下：

Process1

(2) process2 代码如下

   
     
   
   
       y19_upsample = compose(DarknetConv2D_BN_Leaky(256, (1,1)), UpSampling2D(2))(y19)
    #38x38 head    y38 = DarknetConv2D_BN_Leaky(256, (1,1))(darknet.layers[204].output)    y38 = Concatenate()([y38, y19_upsample])    y38 = DarknetConv2D_BN_Leaky(256, (1,1))(y38)    y38 = DarknetConv2D_BN_Leaky(512, (3,3))(y38)    y38 = DarknetConv2D_BN_Leaky(256, (1,1))(y38)    y38 = DarknetConv2D_BN_Leaky(512, (3,3))(y38)    y38 = DarknetConv2D_BN_Leaky(256, (1,1))(y38)

即先将上述的y19进行上采样至大小38x38，然后再和CSPDarknet53的204层输出进行堆叠，最后通过一系列DarknetConv2D_BN_Leaky模块，获得变量y38。

（3） process3的代码如下，类似于process2

   
     
   
   
       y38_upsample = compose(DarknetConv2D_BN_Leaky(128, (1,1)), UpSampling2D(2))(y38)
    #76x76 head    y76 = DarknetConv2D_BN_Leaky(128, (1,1))(darknet.layers[131].output)    y76 = Concatenate()([y76, y38_upsample])    y76 = DarknetConv2D_BN_Leaky(128, (1,1))(y76)    y76 = DarknetConv2D_BN_Leaky(256, (3,3))(y76)    y76 = DarknetConv2D_BN_Leaky(128, (1,1))(y76)    y76 = DarknetConv2D_BN_Leaky(256, (3,3))(y76)    y76 = DarknetConv2D_BN_Leaky(128, (1,1))(y76)

(4) process4的代码如下

#76x76 output    y76_output = DarknetConv2D_BN_Leaky(256, (3,3))(y76)    y76_output = DarknetConv2D(num_anchors*(num_classes+5), (1,1))(y76_output)

这个比较简单，直接通过一个DarknetConv2D_BN_Leaky，然后使用1x1卷积输出最大的一张特征图y76_output，维度为**(76,76,num_anchor*(num_classes+5))**。

（5） process5的代码如下：


   
     
   
   
   #38x38 output    y76_downsample = ZeroPadding2D(((1,0),(1,0)))(y76)    y76_downsample = DarknetConv2D_BN_Leaky(256, (3,3), strides=(2,2))(y76_downsample)    y38 = Concatenate()([y76_downsample, y38])    y38 = DarknetConv2D_BN_Leaky(256, (1,1))(y38)    y38 = DarknetConv2D_BN_Leaky(512, (3,3))(y38)    y38 = DarknetConv2D_BN_Leaky(256, (1,1))(y38)    y38 = DarknetConv2D_BN_Leaky(512, (3,3))(y38)    y38 = DarknetConv2D_BN_Leaky(256, (1,1))(y38)
    y38_output = DarknetConv2D_BN_Leaky(512, (3,3))(y38)    y38_output = DarknetConv2D(num_anchors*(num_classes+5), (1,1))(y38_output)

这一步骤比较关键，PAN和FPN的差异在于，FPN是自顶向下的特征融合，PAN在FPN的基础上，多了个自底向上的特征融合。具体自底向上的特征融合，就是process5完成的，可以看到该步骤先将y76下采样至38x38大小，再和y38堆叠，然后进行一系列卷积运算获得维度大小为**(38,38,num_anchor*(num_classes+5))的输出y38_output**，如下图所示。

Process5

(6) Process6代码如下


   
     
   
   
   #19x19 output    y38_downsample = ZeroPadding2D(((1,0),(1,0)))(y38)    y38_downsample = DarknetConv2D_BN_Leaky(512, (3,3), strides=(2,2))(y38_downsample)    y19 = Concatenate()([y38_downsample, y19])    y19 = DarknetConv2D_BN_Leaky(512, (1,1))(y19)    y19 = DarknetConv2D_BN_Leaky(1024, (3,3))(y19)    y19 = DarknetConv2D_BN_Leaky(512, (1,1))(y19)    y19 = DarknetConv2D_BN_Leaky(1024, (3,3))(y19)    y19 = DarknetConv2D_BN_Leaky(512, (1,1))(y19)
    y19_output = DarknetConv2D_BN_Leaky(1024, (3,3))(y19)    y19_output = DarknetConv2D(num_anchors*(num_classes+5), (1,1))(y19_output)