目标检测系列7—keras搭建yolo3

最新推荐文章于 2022-10-24 22:45:13 发布

ClFH

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分类专栏：目标检测文章标签：网络 python 机器学习深度学习

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/Xiaobai_rabbit0/article/details/107375405

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本文详细介绍了如何使用Keras搭建YOLOv3目标检测模型，包括预测部分和训练部分。预测部分涉及darknet53主干网络、特征获取与解码、预测结果绘制。训练部分涵盖损失计算、真值处理与损失函数计算。提供了完整的代码实现和训练流程。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

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yolo3实现思路

一、预测部分

1、主干网络darknet53介绍

在这里插入图片描述
YOLOv3相比于之前的yolo1和yolo2，改进较大，主要改进方向有：

1、主干网络修改为darknet53，其重要特点是使用了残差网络Residual，darknet53中的残差卷积就是进行一次3X3、步长为2的卷积，然后保存该卷积layer，再进行一次1X1的卷积和一次3X3的卷积，并把这个结果加上layer作为最后的结果，残差网络的特点是容易优化，并且能够通过增加相当的深度来提高准确率。其内部的残差块使用了跳跃连接，缓解了在深度神经网络中增加深度带来的梯度消失问题。

2、darknet53的每一个卷积部分使用了特有的DarknetConv2D结构，每一次卷积的时候进行l2正则化，完成卷积后进行BatchNormalization标准化与LeakyReLU。普通的ReLU是将所有的负值都设为零，Leaky ReLU则是给所有负值赋予一个非零斜率。以数学的方式我们可以表示为：
在这里插入图片描述

1.1、代码实现

from functools import wraps
from keras.layers import Conv2D, Add, ZeroPadding2D, UpSampling2D, Concatenate, MaxPooling2D
from keras.layers.advanced_activations import LeakyReLU
from keras.layers.normalization import BatchNormalization
from keras.regularizers import l2
from utils.utils import compose


#--------------------------------------------------#
#   单次卷积
#--------------------------------------------------#
@wraps(Conv2D)
def DarknetConv2D(*args, **kwargs):
    darknet_conv_kwargs = {
   'kernel_regularizer': l2(5e-4)}
    darknet_conv_kwargs['padding'] = 'valid' if kwargs.get('strides')==(2,2) else 'same'
    darknet_conv_kwargs.update(kwargs)
    return Conv2D(*args, **darknet_conv_kwargs)

#---------------------------------------------------#
#   卷积块
#   DarknetConv2D + BatchNormalization + LeakyReLU
#---------------------------------------------------#
def DarknetConv2D_BN_Leaky(*args, **kwargs):
    no_bias_kwargs = {
   'use_bias': False}
    no_bias_kwargs.update(kwargs)
    return compose( 
        DarknetConv2D(*args, **no_bias_kwargs),
        BatchNormalization(),
        LeakyReLU(alpha=0.1))

#---------------------------------------------------#
#   卷积块
#   DarknetConv2D + BatchNormalization + LeakyReLU
#---------------------------------------------------#
def resblock_body(x, num_filters, num_blocks):
    x = ZeroPadding2D(((1,0),(1,0)))(x)
    x = DarknetConv2D_BN_Leaky(num_filters, (3,3), strides=(2,2))(x)
    for i in range(num_blocks):
        y = DarknetConv2D_BN_Leaky(num_filters//2, (1,1))(x)
        y = DarknetConv2D_BN_Leaky(num_filters, (3,3))(y)
        x = Add()([x,y])
    return x

#---------------------------------------------------#
#   darknet53 的主体部分
#---------------------------------------------------#
def darknet_body(x):
    x = DarknetConv2D_BN_Leaky(32, (3,3))(x)
    x = resblock_body(x, 64, 1)
    x = resblock_body(x, 128, 2)
    x = resblock_body(x, 256, 8)
    feat1 = x
    x = resblock_body(x, 512, 8)
    feat2 = x
    x = resblock_body(x, 1024, 4)
    feat3 = x
    return feat1,feat2,feat3

2、从特征获取预测结果

在这里插入图片描述
1、在特征利用部分，yolo3提取多特征层进行目标检测，一共提取三个特征层，三个特征层位于主干部分darknet53的不同位置，分别位于中间层，中下层，底层，三个特征层的shape分别为(52,52,256)、(26,26,512)、(13,13,1024)。

2、三个特征层进行5次卷积处理，处理完后一部分用于输出该特征层对应的预测结果，一部分用于进行反卷积UmSampling2d后与其它特征层进行结合。

3、输出层的shape分别为(13,13,75)，(26,26,75)，(52,52,75)，最后一个维度为75是因为该图是基于voc数据集的，它的类为20种，yolo3只有针对每一个特征层存在3个先验框，所以最后维度为3x25；
如果使用的是coco训练集，类则为80种，最后的维度应该为255 = 3x85，三个特征层的shape为(13,13,255)，(26,26,255)，(52,52,255)

其实际情况就是，输入N张416x416的图片，在经过多层的运算后，会输出三个shape分别为(N,13,13,255)，(N,26,26,255)，(N,52,52,255)的数据，对应每个图分为13x13、26x26、52x52的网格上3个先验框的位置。

2.1、代码实现

from functools import wraps

import numpy as np
import tensorflow as tf
from keras import backend as K
from keras.layers import Conv2D, Add, ZeroPadding2D, UpSampling2D, Concatenate, MaxPooling2D
from keras.layers.advanced_activations import LeakyReLU
from keras.layers.normalization import BatchNormalization
from keras.models import Model
from keras.regularizers import l2
from nets.darknet53 import darknet_body
from utils.utils import compose


#--------------------------------------------------#
#   单次卷积
#--------------------------------------------------#
@wraps(Conv2D)
def DarknetConv2D(*args, **kwargs):
    darknet_conv_kwargs = {
   'kernel_regularizer': l2(5e-4)}
    darknet_conv_kwargs['padding'] = 'valid' if kwargs.get('strides')==(2,2) else 'same'
    darknet_conv_kwargs.update(kwargs)
    return Conv2D(*args, **darknet_conv_kwargs)

#---------------------------------------------------#
#   卷积块
#   DarknetConv2D + BatchNormalization + LeakyReLU
#---------------------------------------------------#
def DarknetConv2D_BN_Leaky(*args, **kwargs):
    no_bias_kwargs = {
   'use_bias': False}
    no_bias_kwargs.update(kwargs)
    return compose( 
        DarknetConv2D(*args, **no_bias_kwargs),
        BatchNormalization(),
        LeakyReLU(alpha=0.1))

#---------------------------------------------------#
#   特征层->最后的输出
#---------------------------------------------------#
def make_last_layers(x, num_filters, out_filters):
    # 五次卷积
    x = DarknetConv2D_BN_Leaky(num_filters, (1,1))(x)
    x = DarknetConv2D_BN_Leaky(num_filters*2, (3,3))(x)
    x = DarknetConv2D_BN_Leaky(num_filters, (1,1))(x)
    x = DarknetConv2D_BN_Leaky(num_filters*2, (3,3))(x)
    x = DarknetConv2D_BN_Leaky(num_filters, (1,1))(x)

    # 将最后的通道数调整为outfilter
    y = DarknetConv2D_BN_Leaky(num_filters*2, (3,3))(x)
    y = DarknetConv2D(out_filters, (1,1))(y)
            
    return x, y

#---------------------------------------------------#
#   特征层->最后的输出
#---------------------------------------------------#
def yolo_body(inputs, num_anchors, num_classes):
    # 生成darknet53的主干模型
    feat1,feat2,feat3 = darknet_body(inputs)
    darknet = Model(inputs, feat3)

    # 第一个特征层
    # y1=(batch_size,13,13,3,85)
    x, y1 = make_last_layers(darknet.output, 512, num_anchors*(num_classes+5))

    x = compose(
            DarknetConv2D_BN_Leaky(256, (1,1)),
            UpSampling2D(2))(x)
    x = Concatenate()([x,feat2])
    # 第二个特征层
    # y2=(batch_size,26,26,3,85)
    x, y2 = make_last_layers(x, 256, num_anchors*(num_classes+5))

    x = compose(
            DarknetConv2D_BN_Leaky(128, (1,1)),
            UpSampling2D(2))(x)
    x

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