小目标检测的新突破——归一化高斯Wasserstein Distance Loss

针对小目标检测的挑战,本文介绍了归一化高斯Wasserstein Distance Loss (N-GWDLoss),一种能有效提升小目标检测精度的包围框相似度度量方法。N-GWDLoss不同于传统的L1、L2和IoU,能减小小目标与大目标检测性能差距。文章提供实现代码,便于在实际项目中应用。

小目标检测的新突破——归一化高斯Wasserstein Distance Loss

在目标检测领域,YOLOv7无疑是一个备受称赞的算法,它具有高速和高精度的优点,但是对于小目标检测,它在检测精度方面仍有改进空间。为了解决这个问题,我们提出了一种新的包围框相似度度量方法,即归一化高斯Wasserstein Distance Loss (N-GWDLoss)。

N-GWDLoss是针对小目标检测而设计的,它通过归一化高斯形式的Wasserstein距离来度量包围框之间的相似度。与传统的L1、L2和IoU度量不同,N-GWDLoss能够有效地缩小目标检测中小目标检测与大目标检测之间的性能差距。

下面我们来看一下具体实现:

import torch
import torch.nn.functional as F

class NormalizedGaussianWassersteinDistanceLoss(torch
### 小目标检测中的 Dot Distance 和 Normalized Wasserstein Distance #### 1. **Dot Distance 的概念及其在小目标检测中的作用** Dot Distance 是一种衡量两个边界框中心点之间距离的方法。它可以通过简单的欧几里得距离公式计算得出,具体表达式为: \[ \text{Dot Distance} = \|b_c - b_{gt,c}\|_2 \] 其中 \( b_c \) 表示预测框的中心坐标,\( b_{gt,c} \) 表示真实框的中心坐标[^1]。 对于小目标检测而言,由于物体尺寸较小,即使预测框与真实框非常接近也可能因为轻微的位置偏差而导致较低的 IoU 值。因此,单独依赖 IoU 可能无法充分反映模型的实际表现。而 Dot Distance 提供了一种补充指标,能够更精确地描述预测框相对于真实框的空间偏移程度。 #### 2. **Normalized Wasserstein Distance 的定义及优势** Normalized Wasserstein Distance(也称为 Earth Mover's Distance 或 EMD)是一种用于比较概率分布差异性的度量方法。它可以被扩展到边界框匹配场景下,用来量化不同候选区域间的相似性。其核心思想在于寻找最优传输方案使得源分布尽可能靠近目标分布的同时最小化总运输成本。 针对二维空间内的矩形边界框 A 和 B ,它们各自对应的质量密度函数分别为 f_A(x,y),f_B(x,y),则两者间 normalized wasserstein distance 计算公式可近似表示为: \[ W(A,B)=\inf _{\gamma \in \Pi(f_A,f_B)} \int |x-y|\mathrm {d} \gamma (x,y)/C \] 这里 C 是归一化的常数因子以确保最终结果处于合理范围之内[^2]。 相比传统 IoU 方法仅关注重叠部分面积比例,Wasserstein 距离额外包含了形状特征信息如大小、方向等因素的影响,这使其特别适合处理那些存在显著尺度变化或者旋转角度不同的情况下的对象定位任务。 #### 3. **改进策略:结合 CIoU/DIoU 使用** 为了克服单纯依靠 IoU 存在局限性的问题,在实际应用过程中可以尝试融合上述提到的颖测距手段——即同时利用 dot-distance 和 normalized-wasserstein-distance 来增强 ciou/diou 性能表现。例如可以在原有 diou/ciou loss function 上面增加一项基于这两种型测量工具构建而成附加损失项,从而引导网络更好地学习如何调整输出结果满足更高精度需求: ```python def custom_loss(pred_boxes, gt_boxes): iou_term = compute_iou(pred_boxes, gt_boxes) # Compute DIoU term as usual rho_squared = torch.sum((pred_boxes[:, :2] - gt_boxes[:, :2])**2, dim=-1) c_squared = torch.sum(((torch.max(pred_boxes[:, :2], gt_boxes[:, :2]) - torch.min(pred_boxes[:, 2:], gt_boxes[:, 2:]))**2), dim=-1) diou_distance_penalty = rho_squared / c_squared # Add new terms based on dot distance and normalized wasserstein distance dot_distance = torch.norm(pred_boxes[:, :2] - gt_boxes[:, :2], p=2, dim=-1) norm_wass_dist = calculate_normalized_wasserstein_distance(pred_boxes, gt_boxes) total_loss = 1 - iou_term + diou_distance_penalty + alpha * dot_distance + beta * norm_wass_dist return total_loss.mean() ``` 在这个例子中 `alpha` 和 `beta` 控制着增加两项的重要性权重参数值设定需依据实验效果灵活调节优化. --- ####
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