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机器之心编辑部
现在，快到没朋友的YOLO v3有PaddlePaddle实现了。相比原作者在 Darknet 实现的模型，PaddlePaddle 添加了其它一些模块，且精度提高了 5.9个绝对百分点。
YOLO作为目标检测领域的创新技术，一经推出就受到开发者的广泛关注。值得一提的是，基于百度自研的开源深度学习平台PaddlePaddle的YOLO v3实现，参考了论文【Bag of Tricks for Image Classification with Convolutional NeuralNetworks】，增加了mixup，label_smooth等处理，精度(mAP(0.5：0.95))相比于原作者的实现提高了4.7个绝对百分点，在此基础上加入synchronize batchnormalization, 最终精度相比原作者提高5.9个绝对百分点。我们将在下文中为大家详解实现的具体过程。
CV领域的核心问题之一就是目标检测（object detection），它的任务是找出图像当中所有感兴趣的目标（物体），确定其位置和大小（包含目标的矩形框）并识别出具体是哪个对象。Faster R-CNN及在其基础上改进的Mask R-CNN在实例分割、目标检测、人体关键点检测等任务上都取得了很好的效果，但通常较慢。YOLO 创造性的提出one-stage，就是目标定位和目标识别在一个步骤中完成。
由于整个检测流水线是单个网络，因此可以直接在检测性能上进行端到端优化，使得基础YOLO模型能以每秒45帧的速度实时处理图像，较小网络的Fast YOLO每秒处理图像可达到惊人的155帧。YOLO有让人惊艳的速度，同时也有让人止步的缺陷：不擅长小目标检测。而YOLO v3保持了YOLO的速度优势，提升了模型精度，尤其加强了小目标、重叠遮挡目标的识别，补齐了YOLO的短板，是目前速度和精度均衡的目标检测网络。
项目地址：https://github.com/PaddlePaddle/models/blob/v1.4/PaddleCV/yolov3/README_cn.md

YOLO v3检测原理

YOLO v3 是一阶段End2End的目标检测器。YOLO v3将输入图像分成S*S个格子，每个格子预测B个bounding box，每个boundingbox预测内容包括: Location(x, y, w, h)、Confidence Score和C个类别的概率，因此YOLO v3输出层的channel数为S*S*B*(5+ C)。YOLO v3的loss函数也有三部分组成：Location误差，Confidence误差和分类误差。
图：YOLO v3检测原理

YOLO v3网络结构

YOLO v3 的网络结构由基础特征提取网络、multi-scale特征融合层和输出层组成。
  1. 特征提取网络。YOLO v3使用 DarkNet53作为特征提取网络：DarkNet53 基本采用了全卷积网络，用步长为2的卷积操作替代了池化层，同时添加了 Residual 单元，避免在网络层数过深时发生梯度弥散。
  2. 特征融合层。为了解决之前YOLO版本对小目标不敏感的问题，YOLO v3采用了3个不同尺度的特征图来进行目标检测，分别为13*13,26*26,52*52,用来检测大、中、小三种目标。特征融合层选取 DarkNet产出的三种尺度特征图作为输入，借鉴了FPN(feature pyramid networks)的思想，通过一系列的卷积层和上采样对各尺度的特征图进行融合。
  3. 输出层。同样使用了全卷积结构，其中最后一个卷积层的卷积核个数是255：3*(80+4+1)=255，3表示一个grid cell包含3个boundingbox，4表示框的4个坐标信息，1表示Confidence Score，80表示COCO数据集中80个类别的概率。
图：YOLO v3 网络结构

PaddlePaddle简介

PaddlePaddle是百度自研的集深度学习框架、工具组件和服务平台为一体的技术领先、功能完备的开源深度学习平台，有全面的官方支持的工业级应用模型，涵盖自然语言处理、计算机视觉、推荐引擎等多个领域，并开放多个领先的预训练中文模型。目前，已经被中国企业广泛使用，并拥有活跃的开发者社区。
详情可查看PaddlePaddle官网：http://www.paddlepaddle.org/

应用案例—AI识虫

红脂大小蠹是危害超过 35 种松科植物的蛀干害虫，自 1998 年首次发现到 2004 年，发生面积超过 52.7 万平方公里 , 枯死松树达600 多万株。且在持续扩散，给我国林业经济带来巨大损失。传统监测方式依赖具有专业识别能力的工作人员进行实地检查，专业要求高，工作周期长。
北京林业大学、百度、嘉楠、软通智慧合作面向信息素诱捕器的智能虫情监测系统，通过PaddlePaddle训练得到目标检测模型YOLO v3，识别红脂大小蠹虫，远程监测病虫害情况，识别准确率达到90%，与专业人士水平相当，并将原本需要两周才能完成的检查任务，缩短至1小时就能完成。

基于PaddlePaddle实战

运行样例代码需要Paddle Fluid的v 1.4或以上的版本。如果你的运行环境中的PaddlePaddle低于此版本，请根据安装文档中的说明来更新PaddlePaddle：
http://paddlepaddle.org/documentation/docs/zh/1.4/beginners_guide/install/index_cn.html
数据准备
在MS-COCO数据集上进行训练，通过如下方式下载数据集。
cd dataset/coco


./download.sh
数据目录结构如下：
dataset/coco/


├── annotations


│   ├──instances_train2014.json


│   ├──instances_train2017.json


│   ├── instances_val2014.json


│   ├──instances_val2017.json


|   ...


├── train2017


│   ├──
000000000009.
jpg


│   ├──
000000580008.
jpg


|   ...


├── val2017


│   ├──
000000000139.
jpg


│   ├──
000000000285.
jpg


|   ...
模型训练
安装cocoapi：训练前需要首先下载cocoapi。
gitclone https:
//github.com/cocodataset/cocoapi.git

cdcocoapi/PythonAPI


#
if
 cython is not installed


pipinstall Cython


#Install into global site-packages


makeinstall


#Alternatively, 
if
 you 
do
 not have permissions or prefer


#not to install the COCO API into global site-packages


python2setup.py install --user
下载预训练模型： 本示例提供darknet53预训练模型，该模型转换自作者提供的darknet53在ImageNet上预训练的权重，采用如下命令下载预训练模型。
sh./weights/download.sh
通过初始化 --pretrain加载预训练模型。同时在参数微调时也采用该设置加载已训练模型。请在训练前确认预训练模型下载与加载正确，否则训练过程中损失可能会出现NAN。
开始训练： 数据准备完毕后，可以通过如下的方式启动训练。
python train.py \


   --model_save_dir=output/ \


   --pretrain=${path_to_pretrain_model}


   --data_dir=${path_to_data}
通过设置export CUDA_VISIBLE_DEVICES=0,1,2,3,4,5,6,7指定8卡GPU训练。
可选参数见：python train.py --help
数据读取器说明：
  • 数据读取器定义在reader.py中。
模型设置：
  • 模型使用了基于COCO数据集生成的9个先验框：10x13，16x30，33x23，30x61，62x45，59x119，116x90，156x198，373x326
  • 检测过程中，nms_topk=400, nms_posk=100，nms_thresh=0.45
训练策略：
  • 采用momentum优化算法训练YOLO v3，momentum=0.9。
  • 学习率采用warmup算法，前4000轮学习率从0.0线性增加至0.001。在400000，450000轮时使用0.1,0.01乘子进行学习率衰减，最大训练500000轮。
下图为模型训练结果Train Loss。
图：Train Loss

模型评估
模型评估是指对训练完毕的模型评估各类性能指标。本示例采用COCO官方评估。
eval.py是评估模块的主要执行程序，调用示例如下：
pythoneval.py \


    --dataset=coco2017 \


    --weights=${path_to_weights} \
通过设置export CUDA_VISIBLE_DEVICES=0指定单卡GPU评估。
若训练时指定--syncbn=False, 模型评估精度如下。
input size
mAP(IoU=0.50:0.95)
mAP(IoU=0.50)
mAP(IoU=0.75)
608x608
37.7
59.8
40.8
416x416
36.5
58.2
39.1
320x320
34.1
55.4
36.3
若训练时指定--syncbn=True, 模型评估精度如下。
input size
mAP(IoU=0.50:0.95)
mAP(IoU=0.50)
mAP(IoU=0.75)
608x608
38.9
61.1
42.0
416x416
37.5
59.6
40.2
320x320
34.8
56.4
36.9
注意： 评估结果基于pycocotools评估器，没有滤除score < 0.05的预测框，其他框架有此滤除操作会导致精度下降。
模型推断
模型推断可以获取图像中的物体及其对应的类别，infer.py是主要执行程序，调用示例如下。
pythoninfer.py \


   --dataset=coco2017 \


    --weights=${path_to_weights}  \


    --image_path=data/COCO17/val2017/  \


    --image_name=
000000000139.
jpg \


    --draw_thresh=
0.5
通过设置export CUDA_VISIBLE_DEVICES=0指定单卡GPU预测。
模型预测速度（Tesla P40）
input size
608x608
416x416
320x320
infer speed
48 ms/frame
29 ms/frame
24 ms/frame
图：YOLO v3 预测可视化

本文为机器之心发布，转载请联系本公众号获得授权。
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