目标检测中的损失函数：IOU_Loss、GIOU_Loss、DIOU_Loss和CIOU_Loss

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前言

之前在项目中存在目标检测框内嵌的情况（目标检测框存在内嵌情况分析与解决），正好趁这个机会记录下目标检测中常用的几种IOU_loss函数。

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1.IOU_Loss（Intersection over Union Loss）

IOU_Loss是目标检测任务中广泛使用的损失函数，其主要思想是通过计算预测框和真实框的交并比（IOU）来衡量两个框之间的重叠程度，并将其作为损失进行优化。

公式

其中，A为两框交集，B为两框并集；

可以看到IOU_Loss其实很简单，主要是交集/并集，但其实也存在两个问题。

问题1：即状态1的情况，当预测框和目标框不相交时，IOU=0，无法反应两个框距离的远近，此时损失函数不可导，IOU_Loss无法优化两个框不相交的情况。

问题2：即状态2和状态3的情况，当两个预测框大小相同，两个IOU也相同，IOU_Loss无法区分两者相交情况的不同。

2.GIOU_Loss（Generalized Intersection over Union Loss）

GIOU_Loss是对IOU_Loss的改进，考虑了预测框和真实框之间的边界框面积不同的情况，引入了一个修正因子，使其更加准确。

公式

其中，B为两框并集，C为能够包围两个框的最小外接矩形框的面积。

可以看到上图GIOU_Loss中，增加了相交尺度的衡量方式，缓解了单纯IOU_Loss时的尴尬。但为什么仅仅说缓解呢？因为还存在一种不足：

问题：状态1、2、3都是预测框在目标框内部且预测框大小一致的情况，这时预测框和目标框的差集都是相同的，因此这三种状态的GIOU值也都是相同的，这时GIOU退化成了IOU，无法区分相对位置关系。

3.DIOU_Loss（Distance Intersection over Union Loss）

DIOU_Loss在GIOU_Loss的基础上引入了框心点之间的距离，进一步考虑了两个框之间的位置关系，使得损失函数更加全面。

公式

其中，Distance_2为两框中心点的欧式距离，Distance_C为最小外接矩形框的对角线距离。

DIOU_Loss考虑了重叠面积和中心点距离，当目标框包裹预测框的时候，直接度量2个框的距离，因此DIOU_Loss收敛的更快。

但就像前面好的目标框回归函数所说的，没有考虑到长宽比。

比如上面三种情况，目标框包裹预测框，本来DIOU_Loss可以起作用。

但预测框的中心点的位置都是一样的，因此按照DIOU_Loss的计算公式，三者的值都是相同的。

4.CIOU_Loss（Complete Intersection over Union Loss）

CIOU_Loss是对DIOU_Loss的进一步改进，考虑了宽高的比率对损失的影响，使得损失函数更具鲁棒性。

公式

其中， v是衡量长宽比一致性的参数，wg,hg是真实框的宽和高，wp,hp是预测框的宽和高。

这样CIOU_Loss就将目标框回归函数应该考虑三个重要几何因素：重叠面积、中心点距离，长宽比全都考虑进去了。

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总结

IOU_Loss作为传统的衡量标准，为我们提供了一个基础,而GIOU_Loss、DIOU_Loss和CIOU_Loss则在其基础上引入了更多的信息，如目标框的形状和相对位置等，从而使得模型更加准确地学习目标的位置和形状。

参考文档：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/143747206

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2023年12月4日20:03:02