| 撰寫/攝影 | CH.Tseng |
| 部落格 | https://chtseng.wordpress.com/ |
| https://www.facebook.com/chenghsun.tseng |
Joseph Redmon曾經上TED演講介紹YOLO，可上此網址https://www.ted.com/talks/joseph_redmon_how_a_computer_learns_to_recognize_objects_instantly?language=zh-tw#t-434921觀看，他在影片中介紹了影像分類及物件偵測的不同，推廣Object detection的應用並展示了YOLO在實時偵測上的威力。
Yolo歷代各版本的特色比較
| V1 | V2 | V3 | |
| Detect方式 | Grid網格式，預設為7×7 | Anchor box on feature map。在CNN output的13×13 feature map進行預測(stride為32)，每格搭配5個Anchor Boxes來預測Bounding Boxes。
（以輸入圖片尺寸為416 x 416為例） |
Anchor box on feature map。在13×13, 26×26, 52×52三種feature maps上進行預測(stride分別為32, 16, 8)，每格搭配3個Anchor Boxes來預測Bounding Boxes。（以輸入圖片尺寸為416 x 416為例） |
| Bound box最大數量 | 7 x 7 x 2 = 98 | 13 x 13 x 5 = 845（以輸入圖片尺寸為416 x 416為例） | （13×13+26×26+52×52）x3 = 3549（以輸入圖片尺寸為416 x 416為例） |
| Image seize for input | 448 x 448 | 416 x 416（default）model可接受最高解析度 (height=608, width=608)
或任何大於32的2次方倍數。 |
|
| 全連結層有 | 有 | 無輸入的圖片不再受限於固定的尺寸，任意輸入維度都可以在整個網絡上運行。 | |
| Detection | 一個 | 一個 | 三個，分別針對不同的size |
| Loss function | sum-squared error loss | sum-squared error loss | binary cross-entropy loss |
| Output activation | Softmax loss | Softmax loss | Logistic loss |
| Base model | GoogLeNet | VGG | ResNet |
| Darknet model | darknet-19 | darknet-53 | |
| 新增技術 | Batch Normalization→ V2以BN取代V1的Dropout layer，mAP提昇。High Resolution Classifier→ V1用224×244 training，V2提昇至448×448訓練。
Convolution with anchor boxes→V2在FC層進行regression預測bounding box，V2直接去除FC層參考Faster R-CNN的作法以anchor來預測bound box。 Multi-Scale Training→ V2每訓練10個Batch會隨機地選擇新的圖片尺寸進行訓練。→提昇模型針對不同尺寸的圖片的偵測效果。 |
多尺度預測→提昇了對小物體的偵測能力。Anchor box增加 → IOU提高 | |
| 亮點 | YOLO：45 FPSFast YOLO：155FPS | YOLO9000：可偵測9,000種物品，67FPS | 針對前一版，主要亮點並非在速度，而是小物體的偵測能力以及數量。 |
最初版本的Yolo論文公佈於2015年，刊登於arXiv公開論文網站上，掛名的作者分別是Joseph Redmon、Santosh Divvala、Ross Girshick以及Ali Farhadi，但主要開發者應該是Joseph Redmon吧，這是他的個人網站https://pjreddie.com/。除了電腦，他還喜愛滑雪、徒步旅行、攀岩以及和他的阿拉斯加雪撬犬Kelp玩，所以他的YOLO論文(https://arxiv.org/abs/1506.02640)寫得相當的平實有趣，V2版還被選為2017年最佳論文。
Joseph Redmon曾經上TED演講介紹YOLO，可上此網址https://www.ted.com/talks/joseph_redmon_how_a_computer_learns_to_recognize_objects_instantly?language=zh-tw#t-434921觀看，他在影片中介紹了影像分類及物件偵測的不同，推廣Object detection的應用並展示了YOLO在實時偵測上的威力。
Yolo歷代各版本的特色比較
| V1 | V2 | V3 | ||
| Detect方式 | Grid網格式，預設為7×7 | Anchor box on feature map。在CNN output的13×13 feature map進行預測(stride為32)，每格搭配5個Anchor Boxes來預測Bounding Boxes。
（以輸入圖片尺寸為416 x 416為例） |
Anchor box on feature map。在13×13, 26×26, 52×52三種feature maps上進行預測(stride分別為32, 16, 8)，每格搭配3個Anchor Boxes來預測Bounding Boxes。（以輸入圖片尺寸為416 x 416為例） | |
| Bound box最大數量 | 7 x 7 x 2 = 98 | 13 x 13 x 5 = 845（以輸入圖片尺寸為416 x 416為例） | （13×13+26×26+52×52）x3 = 3549（以輸入圖片尺寸為416 x 416為例） | |
| Image seize for input | 448 x 448 | 416 x 416（default）model可接受最高解析度 (height=608, width=608)
或任何大於32的2次方倍數。 |
||
| 全連結層 | 有 | 無輸入的圖片不再受限於固定的尺寸，任意輸入維度都可以在整個網絡上運行。 | ||
| Detection | 一個 | 一個 | 三個，分別針對不同的size | |
| Loss function | sum-squared error loss | sum-squared error loss | binary cross-entropy loss | |
| Output activation | Softmax loss | Softmax loss | Logistic loss | |
| Base model | GoogLeNet | VGG | ResNet | |
| Darknet model | darknet-19 | darknet-53 | ||
| 新增技術 | Batch Normalization→ V2以BN取代V1的Dropout layer，mAP提昇。High Resolution Classifier→ V1用224×244 training，V2提昇至448×448訓練。
Convolution with anchor boxes→V2在FC層進行regression預測bounding box，V2直接去除FC層參考Faster R-CNN的作法以anchor來預測bound box。 Multi-Scale Training→ V2每訓練10個Batch會隨機地選擇新的圖片尺寸進行訓練。→提昇模型針對不同尺寸的圖片的偵測效果。 |
多尺度預測→提昇了對小物體的偵測能力。Anchor box增加 → IOU提高 | ||
| 亮點 | YOLO：45 FPSFast YOLO：155FPS | YOLO9000：可偵測9,000種物品，67FPS | 針對前一版，主要亮點並非在速度，而是小物體的偵測能力以及數量。 | |
如何訓練自己的YOLO model
-
dataset準備與架構
從V2開始，可以自行在cfg檔中設定輸入圖片的尺寸（預設416×416或最高608×608，或任何大於32的2次方倍數尺寸）。所以若在拍攝相片時能用愈高像素來拍更好，可label出的物件愈多，且在後續使用的彈性更大。
在相片的準備上，建議需注意多樣及差異性，假設我們要準備柑橘圖片for辨識使用，那麼拍攝時需注意到：
– 不同環境：比如溫室或戶外的場地，高架或平地種植的草莓。
– 不同季節：蔬果外觀顏色的變化。
– 不同時間：光影的變化帶來的差異，直射斜射或散射光。
– 不同氣候：雨天與乾季對於蔬果外形的影響。
– 不同生長周期：蔬果從發芽抽高長葉到開花結果成熟…等，不同時期的外觀變化。
2. 相片或攝影的選擇
使用影片匯出影格frames作為訓練用圖片，目前也是主流方法之一，與相片拍攝比較，個人覺得最大差異是在1.事前篩選(相片)或事後篩選(攝影)、以及 2.像素尺寸大小兩種：
| 相片 | 影片 | |
| 優點 |
|
|
| 缺點 |
|
|
我個人偏好的模式是以相片為主攝影為輔，在準備dataset階段可先用相片拍攝大量相片後，再花點時間用攝影模式拍幾段影片，之後在訓練的過程中若發現效果不理想或有某一類型的圖片缺乏，可從影片中尋找符合該類型的frame加入訓練。
3. 建立相關資料夾
首先，先建立如下三個資料夾，然後將上一步欲用來訓練的相片放置於images資料夾中。
4. 開始label相片
Label軟體我們使用的是LabelImg，請從https://github.com/tzutalin/labelImg 下載並執行該軟體。剛執行時畫面是空的，請按「Open Dir」、「Change Save Dir」選擇剛剛建立的images以及labels資料夾，接下來便可從下窗格中選擇要label的相片，「按下Create RectBox」便可開始label。
在作label框選時，請考慮是否有足夠的紋理特徵？此外，若人眼都無法確定的物件，就放棄框選。
框選完所有的相片之後，您的資料夾下應會分別有相同數目的image檔及xml的label檔。
請注意，目前新版for windows的LabelImg新增YOLO格式，因此可以直接輸出YOLO需要的檔案格式，您可以直接使用該格式，但我的習慣還是用較為流行的Pascal VOC格式，另外再寫一支程式將VOC轉為YOLO格式，好處是VOC較多人使用，而我們的dataset除了YOLO之外，還可以支援其它的object detection模型。
5. 轉換VOC labels為YOLO格式
YOLO所需要的label格式不同於我們所熟知、ImageNet使用的PASCAL VOC xml，而是採用text文字檔，第一欄為class的ID，其它皆以物件框相對於整張圖片的比例來呈現：
| 類別代碼 | 物件中心x位在整張圖片x的比例 | 物件中心y位在整張圖片y的比例 | 物件寬度w佔整張圖片寬度的比例 | 物件長度h佔整張圖片長度的比例 |
| Category
number |
Object center
in X |
Object center
in Y |
Object width
in X |
Object height
in Y |
例如下圖定義了三個名稱為「Orange」的label，右側為PASCAL VOC的格式，下方為YOLO的格式，可用如下計算方式來轉換VOC→YOLO。
轉換公式：
x = (xmin + (xmax-xmin)/2) * 1.0 / image_w
y = (ymin + (ymax-ymin)/2) * 1.0 / image_h
w = (xmax-xmin) * 1.0 / image_w
h = (ymax-ymin) * 1.0 / image_h
6. 建立YOLO資料夾，放置Label檔及圖片檔
YOLO的label檔是text格式的.txt，每張圖片對應一個txt檔，且兩者較要放置於同一資料夾中，因此，我建了一個資料夾名稱為YOLO，將所有images及txt檔全部放置於其下。稍後在訓練時，YOLO只會access該Yolos資料夾，Images和Labels這兩個已經不需要了。
7. 建立設定檔cfg資料夾
在Orange目錄下，新增cfg資料夾，我們將在此資料夾下放置YOLO設定檔。
有五個設定檔，分別為：
obj.names、obj.data、train.txt、test.txt、yolov3.cfg or yolov3-tiny.cfg
- obj.names：此檔內容為label的列表，例如mature與flower，YOLO在訓練與預測時皆需要讀取此檔。
- obj.data：定義label數目以及各個設定檔及weights目錄的path，YOLO訓練及預測時皆會讀取。
- train.txt：所有images檔案名稱列表中的80%（或其它比例，可視需求變更），訓練時YOLO會依次讀取該檔內容取出相片進行訓練.。您可以手動或寫程式取出固定比例的列表放置於此檔案內容中。
- test.txt：所有images檔案名稱列表中的20%（或其它比例，可視需求變更），訓練時YOLO會依次讀取該檔內容取出相片進行validation.。您可以手動或寫程式取出固定比例的列表放置於此檔案內容中。
- yolov3.cfg or yolov3-tiny.cfg ：YOLO模型設定檔，請從Darknet安裝目錄下的cfg資料夾找到需要的YOLO cfg檔(標準或tiny YOLO)，複製到本cfg資料夾。
- 修改yolo模型的cfg檔：
如果您想訓練Tiny YOLO，請複製並修改yolov3-tiny.cfg如下：
Line 3: set batch=24 → using 24 images for every training step
Line 4: set subdivisions=8 → the batch will be divided by 8
Line 127: set filters=(classes + 5)*3 → in our case filters=21
Line 135: set classes=2 → the number of categories we want to detect
Line 171: set filters=(classes + 5)*3 → in our case filters=21
Line 177: set classes=2 → the number of categories we want to detect
如果您想訓練YOLO，請複製並修改yolov3.cfg如下：
Line 3: set batch=24 → using 24 images for every training step
Line 4: set subdivisions=8 → the batch will be divided by 8
Line 603: set filters=(classes + 5)*3 → in our case filters=21
Line 610: set classes=2 → the number of categories we want to detect
Line 689: set filters=(classes + 5)*3 → in our case filters=21
Line 696: set classes=2, the number of categories we want to detect
Line 776: set filters=(classes + 5)*3 → in our case filters=21
Line 783: set classes=2 → the number of categories we want to detect
batch參數是指每批次取幾張圖片進行訓練，subdivisions參數是指要將每批次拆成幾組，以避免GPU memory不夠。如果您是使用12G的1080 Ti GPU，建議使用其預設的batch=24、subdivisions=8即可。
另外，由於標準YOLO V3有三個detector針對三種scale的feature map，因此要修改三組的filters及classes。Tiny YOLO只有兩個detector，因此要修改兩組。
修改完yolov3.cfg or yolov3-tiny.cfg之後，便可開始進行訓練了。
8. 開始訓練
- 新建一目錄 for 儲存訓練過程的weights權重檔，該目錄的路徑名稱定義於obj.data中的backup參數。
- 下載預訓練檔
請從https://pjreddie.com/media/files/darknet53.conv.74，下載darknet53.conv.74 weights pre-trained on Imagent，該檔大小約155MB，可同時用於訓練YOLO及Tiny YOLO。另外，也可以考慮使用Imagent＋COCO datasets所訓練的yolov3.weights （https://pjreddie.com/media/files/yolov3.weights）或yolov3-tiny.weights（https://pjreddie.com/media/files/yolov3-tiny.weights）。
下載後的訓練檔請置於可讀取到的位置，下一步將用到。
- 執行darknet command開始訓練
../../darknet/darknet detector train cfg.orange/obj.data cfg.orange/yolov3-tiny.cfg darknet53.conv.74
- 訓練過程會持續的秀出各種數值，並且每隔100batches會寫出一個weights檔。其log說明如下：
- 一般來說，我們最需要注意的是紅框的average loss error，如果您訓練的圖片數目有數千個以上，那麼average loss error約0.06左右便可手動停止了，如果僅有數百張，那麼大約0.6左右便可先試著載入其weights檔測試看看辨識效果是否滿意。YOLO在訓練過程中每訓練100 batches便會寫入一個新的weights檔到目錄中，我們可以隨時取用以檢視目前的訓練成果。
9. 檢視訓練成果
我們找一張圖片，然後使用下列的Darknet command來測試。
../../darknet/darknet detector test cfg.orange/obj.data cfg.orange/yolov3-tiny.cfg cfg.orange/weights/yolo_18200.weights {要測試的相片路徑}
執行後，會將指定的測試相片進行檢測後，將結果輸出為predictions.jpg。
想了解更多CH.Tseng，可以點此連結 瀏覽更多文章喔～
