yolo_v3作为yolo系列目前最新的算法，对之前的算法既有保留又有改进。先分析一下yolo_v3上保留的东西：

  • “分而治之”，从yolo_v1开始，yolo算法就是通过划分单元格来做检测，只是划分的数量不一样。
  • 采用"leaky ReLU"作为激活函数。
  • 端到端进行训练。一个loss function搞定训练，只需关注输入端和输出端。
  • 从yolo_v2开始，yolo就用batch normalization作为正则化、加速收敛和避免过拟合的方法，把BN层和leaky relu层接到每一层卷积层之后。
  • 多尺度训练。在速度和准确率之间tradeoff。想速度快点，可以牺牲准确率；想准确率高点儿，可以牺牲一点速度。

yolo每一代的提升很大一部分决定于backbone网络的提升，从v2的darknet-19到v3的darknet-53。yolo_v3还提供替换backbone——tiny darknet。要想性能牛叉，backbone可以用Darknet-53，要想轻量高速，可以用tiny-darknet。总之，yolo就是天生“灵活”，所以特别适合作为工程算法。
当然，yolo_v3在之前的算法上保留的点不可能只有上述几点。由于本文章主要针对yolo_v3进行剖析，不便跑题，下面切入正题。

yolo系列之yolo v3【深度解析】_slam


yolo系列里面，作者只在v1的论文里给出了结构图，而v2和v3的论文里都没有结构图，这使得读者对后两代yolo结构的理解变得比较难。but，对于yolo学习者来说，脑子里没有一个清晰的结构图，就别说自己懂yolo了。上图是我根据官方代码和官方论文以及模型结构可视化工具等经过好几个小时画出来的，修订过几个版本。所以， 上图的准确性是可以保证的。

这里推荐的模型结构可视化工具是：Netron

netron方便好用，可以直观看到yolo_v3的实际计算结构，精细到卷积层。But，要进一步在人性化的角度分析v3的结构图，还需要结合论文和代码。对此，我是下了不少功夫。

上图表示了yolo_v3整个yolo_body的结构，没有包括把输出解析整理成咱要的[box, class, score]。对于把输出张量包装成[box, class, score]那种形式，还需要写一些脚本，但这已经在神经网络结构之外了(我后面会详细解释这波操作)。

为了让yolo_v3结构图更好理解，我对图1做一些补充解释：

DBL: 如图1左下角所示，也就是代码中的Darknetconv2d_BN_Leaky，是yolo_v3的基本组件。就是卷积+BN+Leaky relu。对于v3来说，BN和leaky relu已经是和卷积层不可分离的部分了(最后一层卷积除外)，共同构成了最小组件。

resn：n代表数字，有res1，res2, … ,res8等等，表示这个res_block里含有多少个res_unit。这是yolo_v3的大组件，yolo_v3开始借鉴了ResNet的残差结构，使用这种结构可以让网络结构更深(从v2的darknet-19上升到v3的darknet-53，前者没有残差结构)。对于res_block的解释，可以在图1的右下角直观看到，其基本组件也是DBL。

concat：张量拼接。将darknet中间层和后面的某一层的上采样进行拼接。拼接的操作和残差层add的操作是不一样的，拼接会扩充张量的维度，而add只是直接相加不会导致张量维度的改变。

整个v3结构里面，是没有池化层和全连接层的。前向传播过程中，张量的尺寸变换是通过改变卷积核的步长来实现的，比如stride=(2, 2)，这就等于将图像边长缩小了一半(即面积缩小到原来的1/4)。在yolo_v2中，要经历5次缩小，会将特征图缩小到原输入尺寸的1 / 2 5 1/2^51/2
5
，即1/32。输入为416x416，则输出为13x13(416/32=13)。
yolo_v3也和v2一样，backbone都会将输出特征图缩小到输入的1/32。所以，通常都要求输入图片是32的倍数。可以对比v2和v3的backbone看看：（DarkNet-19 与 DarkNet-53）

  1. Output
    对于图1而言，更值得关注的是输出张量：

yolo系列之yolo v3【深度解析】_c++_02

  • yolo v3输出了3个不同尺度的feature map，如上图所示的y1, y2, y3。这也是v3论文中提到的为数不多的改进点：predictions across scales
  • 这个借鉴了FPN(feature pyramid networks)，采用多尺度来对不同size的目标进行检测，越精细的grid cell就可以检测出越精细的物体。
  • y1,y2和y3的深度都是255，边长的规律是13:26:52
  • 对于COCO类别而言，有80个种类，所以每个box应该对每个种类都输出一个概率。
    yolo v3设定的是每个网格单元预测3个box，所以每个box需要有(x, y, w, h, confidence)五个基本参数，然后还要有80个类别的概率。所以3*(5 + 80) = 255。这个255就是这么来的。（还记得yolo v1的输出张量吗？ 7x7x30，只能识别20类物体，而且每个cell只能预测2个box，和v3比起来就像老人机和iphoneX一样）
  • v3用上采样的方法来实现这种多尺度的feature map，可以结合图1和图2右边来看，图1中concat连接的两个张量是具有一样尺度的(两处拼接分别是26x26尺度拼接和52x52尺度拼接，通过(2, 2)上采样来保证concat拼接的张量尺度相同)。作者并没有像SSD那样直接采用backbone中间层的处理结果作为feature map的输出，而是和后面网络层的上采样结果进行一个拼接之后的处理结果作为feature map。为什么这么做呢？ 我感觉是有点玄学在里面，一方面避免和其他算法做法重合，另一方面这也许是试验之后并且结果证明更好的选择，再者有可能就是因为这么做比较节省模型size的。这点的数学原理不用去管，知道作者是这么做的就对了。
  1. some tricks
    上文把yolo_v3的结构讨论了一下，下文将对yolo v3的若干细节进行剖析。
    Bounding Box Prediction
    b-box预测手段是v3论文中提到的又一个亮点。先回忆一下v2的b-box预测：想借鉴faster R-CNN RPN中的anchor机制，但不屑于手动设定anchor prior(模板框)，于是用维度聚类的方法来确定anchor box prior(模板框)，最后发现聚类之后确定的prior在k=5也能够又不错的表现，于是就选用k=5。后来呢，v2又嫌弃anchor机制线性回归的不稳定性(因为回归的offset可以使box偏移到图片的任何地方)，所以v2最后选用了自己的方法：直接预测相对位置。预测出b-box中心点相对于网格单元左上角的相对坐标。
在评论里有同学问我关于输出的问题，看来我在这里没有说的很清楚。了解v3输出的输出是至关重要的。

第一点， 9个anchor会被三个输出张量平分的。根据大中小三种size各自取自己的anchor。

第二点，每个输出y在每个自己的网格都会输出3个预测框，这3个框是9除以3得到的，这是作者设置
的，我们可以从输出张量的维度来看，13x13x255。255是怎么来的呢，3*(5+80)。80表示80个种类，5表
示位置信息和置信度，3表示要输出3个prediction。在代码上来看，3*(5+80)中的3是直接由
num_anchors//3得到的。

第三点，作者使用了logistic回归来对每个anchor包围的内容进行了一个目标性评分(objectness score)。
根据目标性评分来选择anchor prior进行predict，而不是所有anchor prior都会有输出。

loss function
对掌握Yolo来讲，loss function不可谓不重要。在v3的论文里没有明确提所用的损失函数，确切地说，yolo系列论文里面只有yolo v1明确提了损失函数的公式。对于yolo这样一种讨喜的目标检测算法，就连损失函数都非常讨喜。在v1中使用了一种叫sum-square error的损失计算方法，就是简单的差方相加而已。想详细了解的可以看我关于v1解释的博文。我们知道，在目标检测任务里，有几个关键信息是需要确定的:
(x,y),(w,h),class,confidence

根据关键信息的特点可以分为上述四类，损失函数应该由各自特点确定。最后加到一起就可以组成最终的loss_function了，也就是一个loss_function搞定端到端的训练。可以从代码分析出v3的损失函数，同样也是对以上四类，不过相比于v1中简单的总方误差，还是有一些调整的：
以上是一段keras框架描述的yolo v3 的loss_function代码。忽略恒定系数不看，可以从上述代码看出：除了w, h的损失函数依然采用总方误差之外，其他部分的损失函数用的是二值交叉熵。最后加到一起。那么这个binary_crossentropy又是个什么玩意儿呢？就是一个最简单的交叉熵而已，一般用于二分类，这里的两种二分类类别可以理解为"对和不对"这两种。关于binary_crossentropy的公式详情可参考博文《常见的损失函数》。

总结
v3毫无疑问现在成为了工程界首选的检测算法之一了，结构清晰，实时性好。这是我十分安利的目标检测算法，更值得赞扬的是，yolo_v3给了近乎白痴的复现教程，这种气量在顶层算法研究者中并不常见。你可以很快的用上v3，但你不能很快地懂v3，我花了近一个月的时间才对v3有一个清晰的了解(可能是我悟性不够哈哈哈)。在算法学习的过程中，去一些浮躁，好好理解算法比只会用算法难得很多。