【代码阅读】【算法】K-means聚类算法及利用K-means聚类生成anchor boxes

本文介绍如何使用K-means聚类算法为YOLOv2生成Anchor Boxes,包括算法步骤与核心代码实现。

在yolov2及之后的版本中作者都用anchor boxes 取代了中心点的方法,那么如何用K-means聚类算法得到anchor boxes呢?这边给出方法及代码:

传统kmeans聚类算法

kmeans算法算是一个比较经典的算法,主要是通过选取k个聚类中心,利用求各点距离的方法来进行聚类,迭代更新聚类中心。
在这里插入图片描述

算法步骤:
1.初始化K个簇中心;
2.使用相似性度量(一般是欧氏距离),将每个样本分配给与其距离最近的簇中心;
3.计算每个簇中所有样本的均值,更新簇中心;
4.重复2、3步,直到均簇中心不再变化,或者达到了最大迭代次数。

K-means聚类算法生成anchor boxes

在这里插入图片描述
先给出IOU的公式,聚类anchor boxes的欧式距离改为iou。

步骤
对box进行K-means的步骤为:
1.随机选取K个box作为初始anchor;
2.使用IOU度量,将每个box分配给与其iou最大的anchor;
3.计算每个簇中所有box宽和高的均值,更新anchor;
4.重复2、3步,直到anchor不再变化,或者达到了最大迭代次数。

代码还是很值得看一下的:


def iou(boxes, anchors):
    """
    Calculate the IOU between 
在YOLO目标检测模型中,使用k-means聚类算法生成anchor框是一种优化策略,旨在提高检测精度和效率。该方法的核心思想是通过对训练集中的bounding box进行聚类分析,自动生成一组更加适合当前数据集的anchor框。以下是具体的方法和实现步骤: 1. **数据准备**:首先需要收集训练集中所有图像的bounding box信息。这些信息通常包括每个bounding box的宽度和高度(width和height)。为了确保聚类结果与模型输入尺寸相匹配,需要将这些bounding box的尺寸转换为相对于模型输入尺寸的比例值。 2. **选择聚类数**:确定需要生成anchor框数量,即聚类中心的数量。这个数量通常根据任务需求和经验选择,例如在YOLOv2中推荐使用5个anchor框[^1]。 3. **执行k-means聚类**:使用k-means算法对所有bounding box的尺寸进行聚类。初始聚类中心可以随机选择或通过其他方法预设。聚类过程中,算法会迭代更新聚类中心,直到满足停止条件(如达到最大迭代次数或聚类中心不再显著变化)。 4. **优化聚类结果**:聚类完成后,每个聚类中心代表一种anchor框的尺寸。这些尺寸可以直接用于模型训练和预测。为了进一步优化anchor框的尺寸,可以在k-means聚类的基础上引入遗传算法,通过随机变异和评估适应度来微调anchor框的尺寸,确保其在实际应用中表现更佳[^3]。 5. **应用生成anchor框**:将最终确定的anchor框尺寸应用于YOLO模型的配置文件中,替换默认的anchor框设置。这样,模型在训练和预测过程中将使用更适合当前数据集的anchor框,从而提高检测性能。 ### 示例代码 以下是一个简单的Python代码示例,展示如何使用k-means算法生成anchor框: ```python import numpy as np from sklearn.cluster import KMeans def iou(box, clusters): """ 计算一个bounding box与所有聚类中心的IOU """ x = np.minimum(clusters[:, 0], box[0]) y = np.minimum(clusters[:, 1], box[1]) intersection = x * y box_area = box[0] * box[1] cluster_area = clusters[:, 0] * clusters[:, 1] iou = intersection / (box_area + cluster_area - intersection) return iou def avg_iou(boxes, clusters): """ 计算所有bounding box与聚类中心的平均IOU """ return np.mean([np.max(iou(box, clusters)) for box in boxes]) def kmeans(boxes, k, dist=np.median): """ 执行k-means聚类 """ rows = boxes.shape[0] distances = np.empty((rows, k)) last_clusters = np.zeros((rows,)) np.random.seed() clusters = boxes[np.random.choice(rows, k, replace=False)] while True: for row in range(rows): distances[row] = 1 - iou(boxes[row], clusters) nearest_clusters = np.argmin(distances, axis=1) if (last_clusters == nearest_clusters).all(): break for cluster in range(k): clusters[cluster] = dist(boxes[nearest_clusters == cluster], axis=0) last_clusters = nearest_clusters return clusters # 假设boxes是一个包含所有bounding box尺寸的数组,每个元素是(w, h) boxes = np.random.rand(100, 2) # 选择聚类数k k = 5 # 执行k-means聚类 clusters = kmeans(boxes, k) # 输出聚类结果 print("Generated anchors:", clusters) print("Average IOU:", avg_iou(boxes, clusters)) ``` ### 总结 通过上述方法,YOLO目标检测模型可以利用k-means聚类算法生成更加适合当前数据集的anchor框,从而提高检测精度和效率。此外,结合遗传算法进一步优化anchor框尺寸,可以更好地适应实际应用场景的需求。
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