睿智的目标检测24——Keras搭建Mobilenet-SSD目标检测平台
更新说明
有小伙伴联系我说，我实现的mobilenet-ssd并不是原版的mobilenet-ssd，于是我去查了资料，发现还真不是，又重新制作了原版结构的mobilenet-ssd，主要是修改了特征层的shape，分别利用19×19，10×10，5×5，3×3，2×2，1×1的有效特征层进行分类预测与回归预测。github地址如下：
https://github.com/bubbliiiing/Mobilenet-SSD-Essay
学习前言
一起来看看Mobilenet-SSD的keras实现吧，顺便训练一下自己的数据。
什么是SSD目标检测算法
SSD是一种非常优秀的one-stage目标检测方法，one-stage算法就是目标检测和分类是同时完成的，其主要思路是利用CNN提取特征后，均匀地在图片的不同位置进行密集抽样，抽样时可以采用不同尺度和长宽比，物体分类与预测框的回归同时进行，整个过程只需要一步，所以其优势是速度快。
但是均匀的密集采样的一个重要缺点是训练比较困难，这主要是因为正样本与负样本（背景）极其不均衡（参见Focal Loss），导致模型准确度稍低。
SSD的英文全名是Single Shot MultiBox Detector，Single shot说明SSD算法属于one-stage方法，MultiBox说明SSD算法基于多框预测。
源码下载
https://github.com/bubbliiiing/mobilenet-ssd-keras
喜欢的可以点个star噢。
另外实现的原版结构的SSD的github地址如下：
https://github.com/bubbliiiing/Mobilenet-SSD-Essay
SSD实现思路
一、预测部分
1、主干网络介绍
上图的SSD采用的主干网络是VGG网络，我们需要将其替换成Mobilenet网络。Mobilenet网络的结构可以在这里了解，https://blog.csdn.net/weixin_44791964/article/details/102819915
需要注意两个部分：
1、Conv4-3是长宽压缩三次的结果，因此我们取mobilenet长宽压缩三次的特征层替代Conv4-3。
2、fc7是长宽压缩四次的结果，因此我们取mobilenet长宽压缩四次的特征层替代fc7。（在SSD中，其将VGG的Conv5的池化层的步长修改为1，因此本文也将mobilenet的Block5修改成了步长为1。）
后面的Conv6，Conv7，Conv8，Conv9不变。
import keras.backend as K
from keras.layers import Activation
from keras.layers import Conv2D
from keras.layers import Dense
from keras.layers import Flatten,Add,ZeroPadding2D
from keras.layers import GlobalAveragePooling2D,DepthwiseConv2D,BatchNormalization
from keras.layers import Input
from keras.layers import MaxPooling2D
from keras.layers import merge, concatenate
from keras.layers import Reshape
from keras.layers import ZeroPadding2D
from keras.models import Model
def _depthwise_conv_block(inputs, pointwise_conv_filters,
depth_multiplier=1, strides=(1, 1), block_id=1):
x = DepthwiseConv2D((3, 3),
padding='same',
depth_multiplier=1,
strides=strides,
use_bias=False,
name='conv_dw_%d' % block_id)(inputs)
x = BatchNormalization(name='conv_dw_%d_bn' % block_id)(x)
x = Activation(relu6, name='conv_dw_%d_relu' % block_id)(x)
x = Conv2D(pointwise_conv_filters, (1, 1),
padding='same',
use_bias=False,
strides=(1, 1),
name='conv_pw_%d' % block_id)(x)
x = BatchNormalization(name='conv_pw_%d_bn' % block_id)(x)
return Activation(relu6, name='conv_pw_%d_relu' % block_id)(x)
def relu6(x):
return K.relu(x, max_value=6)
def mobilenet(input_tensor):
#----------------------------主干特征提取网络开始---------------------------#
# SSD结构,net字典
net = {
}
# Block 1
x = input_tensor
# 300,300,3 -> 150,150,64
x = Conv2D(32, (3,3),
padding='same',
use_bias=False,
strides=(2, 2),
name='conv1')(input_tensor)
x = BatchNormalization(name='conv1_bn')(x)
x = Activation(relu6, name='conv1_relu')(x)
x = _depthwise_conv_block(x, 64, 1, block_id=1)
# 150,150,64 -> 75,75,128
x = _depthwise_conv_block(x, 128, 1,
strides=(2, 2), block_id=2)
x = _depthwise_conv_block(x, 128, 1, block_id=3)
# Block 3
# 75,75,128 -> 38,38,256
x = _depthwise_conv_block(x, 256, 1,
strides=(2, 2), block_id=4)
x = _depthwise_conv_block(x, 256, 1, block_id=5)
net['conv4_3'] = x
# Block 4
# 38,38,256 -> 19,19,512
x = _depthwise_conv_block(x, 512, 1,
strides=(2, 2), block_id=6)
x = _depthwise_conv_block(x, 512, 1, block_id=7)
x = _depthwise_conv_block(x, 512, 1, block_id=8)
x = _depthwise_conv_block(x, 512, 1, block_id=9)
x = _depthwise_conv_block(x, 512, 1, block_id=10)
x = _depthwise_conv_block(x, 512, 1, block_id=11)
# Block 5
# 19,19,512 -> 19,19,1024
x = _depthwise_conv_block(x, 1024, 1,
strides=(2, 2), block_id=12)
x = _depthwise_conv_block(x, 1024, 1, block_id=13)
net['fc7'] = x
# x = Dropout(0.5, name='drop7')(x)
# Block 6
# 19,19,512 -> 10,10,512
net['conv6_1'] = Conv2D(256, kernel_size=(1,1), activation='relu',
padding='same',
name='conv6_1')(net['fc7'])
net['conv6_2'] = ZeroPadding2D(padding=((1, 1), (1, 1)), name='conv6_padding')(net['conv6_1'])
net['conv6_2'] = Conv2D(512, kernel_size=(3,3), strides=(2, 2),
activation='relu',
name='conv6_2')(net['conv6_2'])
# Block 7
# 10,10,512 -> 5,5,256
net['conv7_1'] = Conv2D(128, kernel_size=(1,1), activation='relu',
padding='same',
name='conv7_1')(net['conv6_2'])
net['conv7_2'] = ZeroPadding2D(padding=((1, 1), (1, 1)), name='conv7_padding')(net['conv7_1'])
net['conv7_2'] = Conv2D(256, kernel_size=(3,3), strides=(2, 2),
activation='relu', padding='valid',
name='conv7_2')(net['conv7_2'])
# Block 8
# 5,5,256 -> 3,3,256
net['conv8_1'] = Conv2D(128, kernel_size=(1,1), activation='relu',
padding='same',
name='conv8_1')(net['conv7_2'])
net['conv8_2'] = Conv2D(256, kernel_size=(3,3), strides=(1, 1),
activation='relu', padding='valid',
name='conv8_2')(net['conv8_1'])
# Block 9
# 3,3,256 -> 1,1,256
net['conv9_1'] = Conv2D(128, kernel_size=(1,1), activation='relu',
padding='same',
name='conv9_1')(net['conv8_2'])
net['conv9_2'] = Conv2D(256, kernel_size=(3,3), strides=(1, 1),
activation='relu', padding='valid',
name='conv9_2')(net['conv9_1'])
#----------------------------主干特征提取网络结束---------------------------#
return net
2、从特征获取预测结果
由上图可知，我们分别取：
- conv4的第三次卷积的特征；
- fc7卷积的特征；
- conv6的第二次卷积的特征；
- conv7的第二次卷积的特征；
- conv8的第二次卷积的特征；
- conv9的第二次卷积的特征。
共六个特征层进行下一步的处理。为了和普通特征层区分，我们称之为有效特征层，来获取预测结果。
对获取到的每一个有效特征层，我们都需要对其做两个操作，分别是：
- 一次num_anchors x 4的卷积
- 一次num_anchors x num_classes的卷积
而num_anchors指的是该特征层每一个特征点所拥有的先验框数量。上述提到的六个特征层，每个特征层的每个特征点对应的先验框数量分别为4、6、6、6、4、4。
上述操作分别对应的对象为：
- num_anchors x 4的卷积 用于预测 该特征层上 每一个网格点上 每一个先验框的变化情况。**
- num_anchors x num_classes的卷积 用于预测 该特征层上 每一个网格点上 每一个预测对应的种类。
所有的特征层对应的预测结果的shape如下：
实现代码为：
import keras.backend as K
import numpy as np
from keras.engine.topology import InputSpec, Layer
from keras.layers import (Activation, Concatenate, Conv2D, Flatten, Input,
Reshape)
from keras.models import Model
from nets.vgg import VGG16
class Normalize(Layer):
def __init__(self, scale, **kwargs):
self.axis = 3
self.scale = scale
super(Normalize, self).__init__(**kwargs)
def build(self, input_shape):
self.input_spec = [InputSpec(shape=input_shape)]
shape = (input_shape[self.axis],)
init_gamma = self.scale * np.ones(shape)
self.gamma = K.variable(init_gamma, name='{}_gamma'.format(self.name))
self.trainable_weights = [self.gamma]
def call(self, x, mask=None):
output = K.l2_normalize(x, self.axis)
output *= self.gamma
return output
def SSD300(input_shape, num_classes=21):
#---------------------------------#
# 典型的输入大小为[300,300,3]
#---------------------------------#
input_tensor = Input(shape=input_shape)
#------------------------------------------------------------------------#
# net变量里面包含了整个SSD的结构，通过层名可以找到对应的特征层
#------------------------------------------------------------------------#
net = VGG16(input_tensor)
#-----------------------将提取到的主干特征进行处理---------------------------#
# 对conv4_3的通道进行l2标准化处理
# 38,38,512
net['conv4_3_norm'] = Normalize(20, name='conv4_3_norm')(net['conv4_3'])
num_anchors = 4
# 预测框的处理
# num_anchors表示每个网格点先验框的数量，4是x,y,h,w的调整
net['conv4_3_norm_mbox_loc'] = Conv2D(num_anchors * 4, kernel_size=(3,3), padding='same', name='conv4_3_norm_mbox_loc')(net['conv4_3_norm'])
net['conv4_3_norm_mbox_loc_flat'] = Flatten(name='conv4_3_norm_mbox_loc_flat')(net['conv4_3_norm_mbox_loc'])
# num_anchors表示每个网格点先验框的数量，num_classes是所分的类
net['conv4_3_norm_mbox_conf'] = Conv2D(num_anchors * num_classes, kernel_size=(3,3), padding='same',name='conv4_3_norm_mbox_conf')(net['conv4_3_norm'])
net['conv4_3_norm_mbox_conf_flat'] = Flatten(name='conv4_3_norm_mbox_conf_flat')(net['conv4_3_norm_mbox_conf'])
# 对fc7层进行处理
# 19,19,1024
num_anchors = 6
# 预测框的处理
# num_anchors表示每个网格点先验框的数量，4是x,y,h,w的调整
net['fc7_mbox_loc'] = Conv2D(num_anchors * 4, kernel_size=(3,3),padding='same',name='fc7_mbox_loc')(net['fc7'])
net['fc7_mbox_loc_flat'] = Flatten(name='fc7_mbox_loc_flat')(net['fc7_mbox_loc'])
# num_anchors表示每个网格点先验框的数量，num_classes是所分的类
net['fc7_mbox_conf'] = Conv2D(num_anchors * num_classes, kernel_size=(3,3),padding='same',name='fc7_mbox_conf')(net['fc7'])
net['fc7_mbox_conf_flat'] = Flatten(name='fc7_mbox_conf_flat')(net['fc7_mbox_conf'])
# 对conv6_2进行处理
# 10,10,512
num_anchors = 6
# 预测框的处理
# num_anchors表示每个网格点先验框的数量，4是x,y,h,w的调整
net['conv6_2_mbox_loc'] = Conv2D(num_anchors * 4, kernel_size=(3,3), padding='same',name='conv6_2_mbox_loc')(net['conv6_2'])
net['conv6_2_mbox_loc_flat'] = Flatten(name='conv6_2_mbox_loc_flat')(net['conv6_2_mbox_loc'])
# num_anchors表示每个网格点先验框的数量，num_classes是所分的类
net['conv6_2_mbox_conf'] = Conv2D(num_anchors * num_classes, kernel_size=(3,3), padding='same',name='conv6_2_mbox_conf')(net['conv6_2'])
net['conv6_2_mbox_conf_flat'] = Flatten(name='conv6_2_mbox_conf_flat')(net['conv6_2_mbox_conf'])
# 对conv7_2进行处理
# 5,5,256
num_anchors = 6
# 预测框的处理
# num_anchors表示每个网格点先验框的数量，4是x,y,h,w的调整
net['conv7_2_mbox_loc'] = Conv2D(num_anchors * 4, kernel_size=(3,3), padding='same',name='conv7_2_mbox_loc')(net['conv7_2'])
net['conv7_2_mbox_loc_flat'] = Flatten(name='conv7_2_mbox_loc_flat')(net['conv7_2_mbox_loc'])
# num_anchors表示每个网格点先验框的数量，num_classes是所分的类
net['conv7_2_mbox_conf'] = Conv2D(num_anchors * num_classes, kernel_size=(3,3), padding='same',name='conv7_2_mbox_conf')(net['conv7_2'])
net['conv7_2_mbox_conf_flat'] = Flatten(name='conv7_2_mbox_conf_flat')(net['conv7_2_mbox_conf'])
# 对conv8_2进行处理
# 3,3,256
num_anchors = 4
# 预测框的处理
# num_anchors表示每个网格点先验框的数量，4是x,y,h,w的调整
net['conv8_2_mbox_loc'] = Conv2D(num_anchors * 4, kernel_size=(3,3), padding='same',name='conv8_2_mbox_loc')(net['conv8_2'])
net['conv8_2_mbox_loc_flat'] = Flatten(name='conv8_2_mbox_loc_flat')(net['conv8_2_mbox_loc'])
# num_anchors表示每个网格点先验框的数量，num_classes是所分的类
net['conv8_2_mbox_conf'] = Conv2D(num_anchors * num_classes, kernel_size=(3,3), padding='same',name='conv8_2_mbox_conf')(net['conv8_2'])
net['conv8_2_mbox_conf_flat'] = Flatten(name='conv8_2_mbox_conf_flat')(net['conv8_2_mbox_conf'])
# 对conv9_2进行处理
# 1,1,256
num_anchors = 4
# 预测框的处理
# num_anchors表示每个网格点先验框的数量，4是x,y,h,w的调整
net['conv9_2_mbox_loc'] = Conv2D(num_anchors * 4, kernel_size=(3,3), padding='same',name='conv9_2_mbox_loc')(net['conv9_2'])
net['conv9_2_mbox_loc_flat'] = Flatten(name='conv9_2_mbox_loc_flat')(net['conv9_2_mbox_loc'])
# num_anchors表示每个网格点先验框的数量，num_classes是所分的类
net['conv9_2_mbox_conf'] = Conv2D(num_anchors * num_classes, kernel_size=(3,3), padding='same',name='conv9_2_mbox_conf')(net['conv9_2'])
net['conv9_2_mbox_conf_flat'] = Flatten(name='conv9_2_mbox_conf_flat')(net['conv9_2_mbox_conf'])
# 将所有结果进行堆叠
net['mbox_loc'] = Concatenate(axis=1, name='mbox_loc')([net['conv4_3_norm_mbox_loc_flat'],
net['fc7_mbox_loc_flat'],
net['conv6_2_mbox_loc_flat'],
net['conv7_2_mbox_loc_flat'],
net['conv8_2_mbox_loc_flat'],
net['conv9_2_mbox_loc_flat']])
net['mbox_conf'] = Concatenate(axis=1, name='mbox_conf')([net['conv4_3_norm_mbox_conf_flat'],
net['fc7_mbox_conf_flat'],
net['conv6_2_mbox_conf_flat'],
net['conv7_2_mbox_conf_flat'],
net['conv8_2_mbox_conf_flat'],
net['conv9_2_mbox_conf_flat']])
# 8732,4
net['mbox_loc'] = Reshape((-1, 4), name='mbox_loc_final')(net['mbox_loc'])
# 8732,21
net['mbox_conf'] = Reshape((-1, num_classes), name='mbox_conf_logits')(net['mbox_conf'])
net['mbox_conf'] = Activation('softmax', name='mbox_conf_final')(net['mbox_conf'])
# 8732,25
net['predictions'] = Concatenate(axis =-1, name='predictions')([net['mbox_loc'], net['mbox_conf']])
model = Model(net['input'], net['predictions'])
return model
3、预测结果的解码
利用SSD的主干网络我们可以获得六个有效特征层，分别是：
- conv4的第三次卷积的特征；
- fc7卷积的特征；
- conv6的第二次卷积的特征；
- conv7的第二次卷积的特征；
- conv8的第二次卷积的特征；
- conv9的第二次卷积的特征。
通过对每一个特征层的处理，我们可以获得每个特征层对应的三个内容，分别是：
- num_anchors x 4的卷积 用于预测 该特征层上 每一个网格点上 每一个先验框的变化情况。**
- num_anchors x num_classes的卷积 用于预测 该特征层上 每一个网格点上 每一个预测对应的种类。
- 每一个特征层的每一个特征点上对应的若干个先验框。
我们利用 num_anchors x 4的卷积 对 每一个有效特征层对应的先验框 进行调整获得 预测框。
在这里我们简单了解一下每个特征层到底做了什么：
每一个有效特征层将整个图片分成与其长宽对应的网格，如conv4-3的特征层就是将整个图像分成38×38个网格；然后从每个网格中心建立多个先验框，对于conv4-3的特征层来说，它的每个特征点分别建立了4个先验框；
因此，对于conv4-3整个特征层来讲，整个图片被分成38×38个网格，每个网格中心对应4个先验框，一共建立了38x38x4个，5776个先验框。这些框密密麻麻的遍布在整个图片上。网络的预测结果会对这些框进行调整获得预测框。
先验框虽然可以代表一定的框的位置信息与框的大小信息，但是其是有限的，无法表示任意情况，因此还需要调整，ssd利用num_anchors x 4的卷积的结果对先验框进行调整。
num_anchors x 4中的num_anchors表示了这个网格点所包含的先验框数量，其中的4表示了x_offset、y_offset、h和w的调整情况。
x_offset与y_offset代表了真实框距离先验框中心的xy轴偏移情况。
h和w代表了真实框的宽与高相对于先验框的变化情况。
SSD解码过程可以分为两部分：
将每个网格的中心点加上它对应的x_offset和y_offset，加完后的结果就是预测框的中心；
利用h和w调整先验框获得预测框的宽和高。
此时我们获得了预测框的中心和预测框的宽高，已经可以在图片上绘制预测框了。
想要获得最终的预测结果，还要对每一个预测框进行得分排序与非极大抑制筛选。
这一部分基本上是所有目标检测通用的部分。
1、取出每一类得分大于self.obj_threshold的框和得分。
2、利用框的位置和得分进行非极大抑制。
实现代码如下：
import numpy as np
import tensorflow as tf
import keras.backend as K
class BBoxUtility(object):
def __init__(self, num_classes, nms_thresh=0.45, top_k=300):
self.num_classes = num_classes
self._nms_thresh = nms_thresh
self._top_k = top_k
self.boxes = K.placeholder(dtype='float32', shape=(None, 4))
self.scores = K.placeholder(dtype='float32', shape=(None,))
self.nms = tf.image.non_max_suppression(self.boxes, self.scores, self._top_k, iou_threshold=self._nms_thresh)
self.sess = K.get_session()
def ssd_correct_boxes(self, box_xy, box_wh, input_shape, image_shape, letterbox_image):
#-----------------------------------------------------------------#
# 把y轴放前面是因为方便预测框和图像的宽高进行相乘
#-----------------------------------------------------------------#
box_yx = box_xy[..., ::-1]
box_hw = box_wh[..., ::-1]
input_shape = np.array(input_shape)
image_shape = np.array(image_shape)
if letterbox_image:
#-----------------------------------------------------------------#
# 这里求出来的offset是图像有效区域相对于图像左上角的偏移情况
# new_shape指的是宽高缩放情况
#-----------------------------------------------------------------#
new_shape = np.round(image_shape * np.min(input_shape/image_shape))
offset = (input_shape - new_shape)/2./input_shape
scale = input_shape/new_shape
box_yx = (box_yx - offset) * scale
box_hw *= scale
box_mins = box_yx - (box_hw / 2.)
box_maxes = box_yx + (box_hw / 2.)
boxes = np.concatenate([box_mins[..., 0:1], box_mins[..., 1:2], box_maxes[..., 0:1], box_maxes[..., 1:2]], axis=-1)
boxes *= np.concatenate([image_shape, image_shape], axis=-1)
return boxes
def decode_boxes(self, mbox_loc, anchors, variances):
# 获得先验框的宽与高
anchor_width = anchors[:, 2] - anchors[:, 0]
anchor_height = anchors[:, 3] - anchors[:, 1]
# 获得先验框的中心点
anchor_center_x = 0.5 * (anchors[:, 2] + anchors[:, 0])
anchor_center_y = 0.5 * (anchors[:, 3] + anchors[:, 1])
# 真实框距离先验框中心的xy轴偏移情况
decode_bbox_center_x = mbox_loc[:, 0] * anchor_width * variances[0]
decode_bbox_center_x += anchor_center_x
decode_bbox_center_y = mbox_loc[:, 1] * anchor_height * variances[1]
decode_bbox_center_y += anchor_center_y
# 真实框的宽与高的求取
decode_bbox_width = np.exp(mbox_loc[:, 2] * variances[2])
decode_bbox_width *= anchor_width
decode_bbox_height = np.exp(mbox_loc[:, 3] * variances[3])
decode_bbox_height *= anchor_height
# 获取真实框的左上角与右下角
decode_bbox_xmin = decode_bbox_center_x - 0.5 * decode_bbox_width
decode_bbox_ymin = decode_bbox_center_y - 0.5 * decode_bbox_height
decode_bbox_xmax = decode_bbox_center_x + 0.5 * decode_bbox_width
decode_bbox_ymax = decode_bbox_center_y + 0.5 * decode_bbox_height
# 真实框的左上角与右下角进行堆叠
decode_bbox = np.concatenate((decode_bbox_xmin[:, None],
decode_bbox_ymin[:, None],
decode_bbox_xmax[:, None],
decode_bbox_ymax[:, None]), axis=-1)
# 防止超出0与1
decode_bbox = np.minimum(np.maximum(decode_bbox, 0.0), 1.0)
return decode_bbox
def decode_box(self, predictions, anchors, image_shape, input_shape, letterbox_image, variances = [0.1, 0.1, 0.2, 0.2], confidence=0.5):
#---------------------------------------------------#
# :4是回归预测结果
#---------------------------------------------------#
mbox_loc = predictions[:, :, :4]
#---------------------------------------------------#
# 获得种类的置信度
#---------------------------------------------------#
mbox_conf = predictions[:, :, 4:]
results = []
#----------------------------------------------------------------------------------------------------------------#
# 对每一张图片进行处理，由于在predict.py的时候，我们只输入一张图片，所以for i in range(len(mbox_loc))只进行一次
#----------------------------------------------------------------------------------------------------------------#
for i in range(len(mbox_loc)):
results.append([])
#--------------------------------#
# 利用回归结果对先验框进行解码
#--------------------------------#
decode_bbox = self.decode_boxes(mbox_loc[i], anchors, variances)
for c in range(1, self.num_classes):
#--------------------------------#
# 取出属于该类的所有框的置信度
# 判断是否大于门限
#--------------------------------#
c_confs = mbox_conf[i, :, c]
c_confs_m = c_confs > confidence
if len(c_confs[c_confs_m]) > 0:
#-----------------------------------------#
# 取出得分高于confidence的框
#-----------------------------------------#
boxes_to_process = decode_bbox[c_confs_m]
confs_to_process = c_confs[c_confs_m]
#-----------------------------------------#
# 进行iou的非极大抑制
#-----------------------------------------#
idx = self.sess.run(self.nms, feed_dict={
self.boxes: boxes_to_process, self.scores: confs_to_process})
#-----------------------------------------#
# 取出在非极大抑制中效果较好的内容
#-----------------------------------------#
good_boxes = boxes_to_process[idx]
confs = confs_to_process[idx][:, None]
labels = (c - 1) * np.ones((len(idx), 1))
#-----------------------------------------#
# 将label、置信度、框的位置进行堆叠。
#-----------------------------------------#
c_pred = np.concatenate((good_boxes, labels, confs), axis=1)
# 添加进result里
results[-1].extend(c_pred)
if len(results[-1]) > 0:
results[-1] = np.array(results[-1])
box_xy, box_wh = (results[-1][:, 0:2] + results[-1][:, 2:4])/2, results[-1][:, 2:4] - results[-1][:, 0:2]
results[-1][:, :4] = self.ssd_correct_boxes(box_xy, box_wh, input_shape, image_shape, letterbox_image)
return results
4、在原图上进行绘制
通过第三步，我们可以获得预测框在原图上的位置，而且这些预测框都是经过筛选的。这些筛选后的框可以直接绘制在图片上，就可以获得结果了。
二、训练部分
1、真实框的处理
真实框的处理可以分为两个部分，分别是：
- 找到真实框对应的先验框；
- 对真实框进行编码。
a、找到真实框对应的先验框
在这一步中，我们需要找到真实框所对应的先验框，代表这个真实框由某个先验框进行预测。
我们首先需要将每一个的真实框和所有的先验框进行一个iou计算，这一步做的工作是计算每一个真实框和所有的先验框的重合程度。
在获得每一个真实框和所有的先验框的重合程度之后，选出和每一个真实框重合程度大于一定门限的先验框。代表这个真实框由这些先验框负责预测。
由于一个先验框只能负责一个真实框的预测，所以如果某个先验框和多个真实框的重合度较大，那么这个先验框只负责与其iou最大的真实框的预测。
在这一步后，我们可以找到每一个先验框所负责预测的真实框，在下一步中，我们需要根据这些真实框和先验框获得网络的预测结果。
实现代码如下：
def assign_boxes(self, boxes):
#---------------------------------------------------#
# assignment分为3个部分
# :4 的内容为网络应该有的回归预测结果
# 4:-1 的内容为先验框所对应的种类，默认为背景
# -1 的内容为当前先验框是否包含目标
#---------------------------------------------------#
assignment = np.zeros((self.num_anchors, 4 + self.num_classes + 1))
assignment[:, 4] = 1.0
if len(boxes) == 0:
return assignment
# 对每一个真实框都进行iou计算
encoded_boxes = np.apply_along_axis(self.encode_box, 1, boxes[:, :4])
#---------------------------------------------------#
# 在reshape后，获得的encoded_boxes的shape为：
# [num_true_box, num_anchors, 4 + 1]
# 4是编码后的结果，1为iou
#---------------------------------------------------#
encoded_boxes = encoded_boxes.reshape(-1, self.num_anchors, 5)
#---------------------------------------------------#
# [num_anchors]求取每一个先验框重合度最大的真实框
#---------------------------------------------------#
best_iou = encoded_boxes[:, :, -1].max(axis=0)
best_iou_idx = encoded_boxes[:, :, -1].argmax(axis=0)
best_iou_mask = best_iou > 0
best_iou_idx = best_iou_idx[best_iou_mask]
#---------------------------------------------------#
# 计算一共有多少先验框满足需求
#---------------------------------------------------#
assign_num = len(best_iou_idx)
# 将编码后的真实框取出
encoded_boxes = encoded_boxes[:, best_iou_mask, :]
#---------------------------------------------------#
# 编码后的真实框的赋值
#---------------------------------------------------#
assignment[:, :4][best_iou_mask] = encoded_boxes[best_iou_idx,np.arange(assign_num),:4]
#----------------------------------------------------------#
# 4代表为背景的概率，设定为0，因为这些先验框有对应的物体
#----------------------------------------------------------#
assignment[:, 4][best_iou_mask] = 0
assignment[:, 5:-1][best_iou_mask] = boxes[best_iou_idx, 4:]
#----------------------------------------------------------#
# -1表示先验框是否有对应的物体
#----------------------------------------------------------#
assignment[:, -1][best_iou_mask] = 1
# 通过assign_boxes我们就获得了，输入进来的这张图片，应该有的预测结果是什么样子的
return assignment
b、真实框的编码
利用SSD的主干网络我们可以获得六个有效特征层，分别是：
- conv4的第三次卷积的特征；
- fc7卷积的特征；
- conv6的第二次卷积的特征；
- conv7的第二次卷积的特征；
- conv8的第二次卷积的特征；
- conv9的第二次卷积的特征。
通过对每一个特征层的处理，我们可以获得每个特征层对应的三个内容，分别是：
- num_anchors x 4的卷积 用于预测 该特征层上 每一个网格点上 每一个先验框的变化情况。**
- num_anchors x num_classes的卷积 用于预测 该特征层上 每一个网格点上 每一个预测对应的种类。
- 每一个特征层的每一个特征点上对应的若干个先验框。
因此，我们直接利用ssd网络预测到的结果，并不是预测框在图片上的真实位置，需要解码才能得到真实位置。
所以在训练的时候，如果我们需要计算loss函数，这个loss函数是相对于ssd网络的预测结果的。因此我们需要对真实框的信息进行处理，使得它的结构和预测结果的格式是一样的，这样的一个过程我们称之为编码（encode）。用一句话概括编码的过程就是将真实框的位置信息格式转化为ssd预测结果的格式信息。
也就是，我们需要找到 每一张用于训练的图片的每一个真实框对应的先验框，并求出如果想要得到这样一个真实框，我们的预测结果应该是怎么样的。
从预测结果获得真实框的过程被称作解码，而从真实框获得预测结果的过程就是编码的过程。因此我们只需要将解码过程逆过来就是编码过程了。
因此我们可以利用真实框和先验框进行编码，获得该特征点对应的该先验框应该有的预测结果。预测结果分为两个，分别是：
- num_anchors x 4的卷积
- num_anchors x num_classes的卷积
前者对应先验框的调整参数，后者对应先验框的种类，这个都可以通过先验框对应的真实框获得。
实现代码如下：
def encode_box(self, box, return_iou=True, variances = [0.1, 0.1, 0.2, 0.2]):
#---------------------------------------------#
# 计算当前真实框和先验框的重合情况
# iou [self.num_anchors]
# encoded_box [self.num_anchors, 5]
#---------------------------------------------#
iou = self.iou(box)
encoded_box = np.zeros((self.num_anchors, 4 + return_iou))
#---------------------------------------------#
# 找到每一个真实框，重合程度较高的先验框
# 真实框可以由这个先验框来负责预测
#---------------------------------------------#
assign_mask = iou > self.overlap_threshold
#---------------------------------------------#
# 如果没有一个先验框重合度大于self.overlap_threshold
# 则选择重合度最大的为正样本
#---------------------------------------------#
if not assign_mask.any():
assign_mask[iou.argmax()] = True
#---------------------------------------------#
# 利用iou进行赋值
#---------------------------------------------#
if return_iou:
encoded_box[:, -1][assign_mask] = iou[assign_mask]
#---------------------------------------------#
# 找到对应的先验框
#---------------------------------------------#
assigned_anchors = self.anchors[assign_mask]
#---------------------------------------------#
# 逆向编码，将真实框转化为ssd预测结果的格式
# 先计算真实框的中心与长宽
#---------------------------------------------#
box_center = 0.5 * (box[:2] + box[2:])
box_wh = box[2:] - box[:2]
#---------------------------------------------#
# 再计算重合度较高的先验框的中心与长宽
#---------------------------------------------#
assigned_anchors_center = (assigned_anchors[:, 0:2] + assigned_anchors[:, 2:4]) * 0.5
assigned_anchors_wh = (assigned_anchors[:, 2:4] - assigned_anchors[:, 0:2])
#------------------------------------------------#
# 逆向求取ssd应该有的预测结果
# 先求取中心的预测结果，再求取宽高的预测结果
# 存在改变数量级的参数，默认为[0.1,0.1,0.2,0.2]
#------------------------------------------------#
encoded_box[:, :2][assign_mask] = box_center - assigned_anchors_center
encoded_box[:, :2][assign_mask] /= assigned_anchors_wh
encoded_box[:, :2][assign_mask] /= np.array(variances)[:2]
encoded_box[:, 2:4][assign_mask] = np.log(box_wh / assigned_anchors_wh)
encoded_box[:, 2:4][assign_mask] /= np.array(variances)[2:4]
return encoded_box.ravel()
2、利用处理完的真实框与对应图片的预测结果计算loss
loss的计算分为三个部分：
1、获取所有正标签的框的预测结果的回归loss。
2、获取所有正标签的种类的预测结果的交叉熵loss。
3、获取一定负标签的种类的预测结果的交叉熵loss。
由于在ssd的训练过程中，正负样本极其不平衡，即 存在对应真实框的先验框可能只有若干个，但是不存在对应真实框的负样本却有几千个，这就会导致负样本的loss值极大，因此我们可以考虑减少负样本的选取，对于ssd的训练来讲，常见的情况是取三倍正样本数量的负样本用于训练。这个三倍呢，也可以修改，调整成自己喜欢的数字。
实现代码如下：
import tensorflow as tf
class MultiboxLoss(object):
def __init__(self, num_classes, alpha=1.0, neg_pos_ratio=3.0,
background_label_id=0, negatives_for_hard=100.0):
self.num_classes = num_classes
self.alpha = alpha
self.neg_pos_ratio = neg_pos_ratio
if background_label_id != 0:
raise Exception('Only 0 as background label id is supported')
self.background_label_id = background_label_id
self.negatives_for_hard = negatives_for_hard
def _l1_smooth_loss(self, y_true, y_pred):
abs_loss = tf.abs(y_true - y_pred)
sq_loss = 0.5 * (y_true - y_pred)**2
l1_loss = tf.where(tf.less(abs_loss, 1.0), sq_loss, abs_loss - 0.5)
return tf.reduce_sum(l1_loss, -1)
def _softmax_loss(self, y_true, y_pred):
y_pred = tf.maximum(y_pred, 1e-7)
softmax_loss = -tf.reduce_sum(y_true * tf.log(y_pred),
axis=-1)
return softmax_loss
def compute_loss(self, y_true, y_pred):
# --------------------------------------------- #
# y_true batch_size, 8732, 4 + self.num_classes + 1
# y_pred batch_size, 8732, 4 + self.num_classes
# --------------------------------------------- #
num_boxes = tf.to_float(tf.shape(y_true)[1])
# --------------------------------------------- #
# 分类的loss
# batch_size,8732,21 -> batch_size,8732
# --------------------------------------------- #
conf_loss = self._softmax_loss(y_true[:, :, 4:-1],
y_pred[:, :, 4:])
# --------------------------------------------- #
# 框的位置的loss
# batch_size,8732,4 -> batch_size,8732
# --------------------------------------------- #
loc_loss = self._l1_smooth_loss(y_true[:, :, :4],
y_pred[:, :, :4])
# --------------------------------------------- #
# 获取所有的正标签的loss
# --------------------------------------------- #
pos_loc_loss = tf.reduce_sum(loc_loss * y_true[:, :, -1],
axis=1)
pos_conf_loss = tf.reduce_sum(conf_loss * y_true[:, :, -1],
axis=1)
# --------------------------------------------- #
# 每一张图的正样本的个数
# num_pos [batch_size,]
# --------------------------------------------- #
num_pos = tf.reduce_sum(y_true[:, :, -1], axis=-1)
# --------------------------------------------- #
# 每一张图的负样本的个数
# num_neg [batch_size,]
# --------------------------------------------- #
num_neg = tf.minimum(self.neg_pos_ratio * num_pos, num_boxes - num_pos)
# 找到了哪些值是大于0的
pos_num_neg_mask = tf.greater(num_neg, 0)
# --------------------------------------------- #
# 如果所有的图，正样本的数量均为0
# 那么则默认选取100个先验框作为负样本
# --------------------------------------------- #
has_min = tf.to_float(tf.reduce_any(pos_num_neg_mask))
num_neg = tf.concat(axis=0, values=[num_neg, [(1 - has_min) * self.negatives_for_hard]])
# --------------------------------------------- #
# 从这里往后，与视频中看到的代码有些许不同。
# 由于以前的负样本选取方式存在一些问题，
# 我对该部分代码进行重构。
# 求整个batch应该的负样本数量总和
# --------------------------------------------- #
num_neg_batch = tf.reduce_sum(tf.boolean_mask(num_neg, tf.greater(num_neg, 0)))
num_neg_batch = tf.to_int32(num_neg_batch)
# --------------------------------------------- #
# 对预测结果进行判断，如果该先验框没有包含物体
# 那么它的不属于背景的预测概率过大的话
# 就是难分类样本
# --------------------------------------------- #
confs_start = 4 + self.background_label_id + 1
confs_end = confs_start + self.num_classes - 1
# --------------------------------------------- #
# batch_size,8732
# 把不是背景的概率求和，求和后的概率越大
# 代表越难分类。
# --------------------------------------------- #
max_confs = tf.reduce_sum(y_pred[:, :, confs_start:confs_end], axis=2)
# --------------------------------------------------- #
# 只有没有包含物体的先验框才得到保留
# 我们在整个batch里面选取最难分类的num_neg_batch个
# 先验框作为负样本。
# --------------------------------------------------- #
max_confs = tf.reshape(max_confs * (1 - y_true[:, :, -1]), [-1])
_, indices = tf.nn.top_k(max_confs, k=num_neg_batch)
neg_conf_loss = tf.gather(tf.reshape(conf_loss, [-1]), indices)
# 进行归一化
num_pos = tf.where(tf.not_equal(num_pos, 0), num_pos, tf.ones_like(num_pos))
total_loss = tf.reduce_sum(pos_conf_loss) + tf.reduce_sum(neg_conf_loss) + tf.reduce_sum(self.alpha * pos_loc_loss)
total_loss /= tf.reduce_sum(num_pos)
return total_loss
训练自己的SSD模型
首先前往Github下载对应的仓库，下载完后利用解压软件解压，之后用编程软件打开文件夹。
注意打开的根目录必须正确，否则相对目录不正确的情况下，代码将无法运行。
一定要注意打开后的根目录是文件存放的目录。
一、数据集的准备
本文使用VOC格式进行训练，训练前需要自己制作好数据集，如果没有自己的数据集，可以通过Github连接下载VOC12+07的数据集尝试下。
训练前将标签文件放在VOCdevkit文件夹下的VOC2007文件夹下的Annotation中。
训练前将图片文件放在VOCdevkit文件夹下的VOC2007文件夹下的JPEGImages中。
此时数据集的摆放已经结束。
二、数据集的处理
在完成数据集的摆放之后，我们需要对数据集进行下一步的处理，目的是获得训练用的2007_train.txt以及2007_val.txt，需要用到根目录下的voc_annotation.py。
voc_annotation.py里面有一些参数需要设置。
分别是annotation_mode、classes_path、trainval_percent、train_percent、VOCdevkit_path，第一次训练可以仅修改classes_path
''' annotation_mode用于指定该文件运行时计算的内容 annotation_mode为0代表整个标签处理过程，包括获得VOCdevkit/VOC2007/ImageSets里面的txt以及训练用的2007_train.txt、2007_val.txt annotation_mode为1代表获得VOCdevkit/VOC2007/ImageSets里面的txt annotation_mode为2代表获得训练用的2007_train.txt、2007_val.txt '''
annotation_mode = 0
''' 必须要修改，用于生成2007_train.txt、2007_val.txt的目标信息 与训练和预测所用的classes_path一致即可 如果生成的2007_train.txt里面没有目标信息 那么就是因为classes没有设定正确 仅在annotation_mode为0和2的时候有效 '''
classes_path = 'model_data/voc_classes.txt'
''' trainval_percent用于指定(训练集+验证集)与测试集的比例，默认情况下 (训练集+验证集):测试集 = 9:1 train_percent用于指定(训练集+验证集)中训练集与验证集的比例，默认情况下 训练集:验证集 = 9:1 仅在annotation_mode为0和1的时候有效 '''
trainval_percent = 0.9
train_percent = 0.9
''' 指向VOC数据集所在的文件夹 默认指向根目录下的VOC数据集 '''
VOCdevkit_path = 'VOCdevkit'
classes_path用于指向检测类别所对应的txt，以voc数据集为例，我们用的txt为：
训练自己的数据集时，可以自己建立一个cls_classes.txt，里面写自己所需要区分的类别。
三、开始网络训练
通过voc_annotation.py我们已经生成了2007_train.txt以及2007_val.txt，此时我们可以开始训练了。
训练的参数较多，大家可以在下载库后仔细看注释，其中最重要的部分依然是train.py里的classes_path。
classes_path用于指向检测类别所对应的txt，这个txt和voc_annotation.py里面的txt一样！训练自己的数据集必须要修改！
修改完classes_path后就可以运行train.py开始训练了，在训练多个epoch后，权值会生成在logs文件夹中。
其它参数的作用如下：
#--------------------------------------------------------#
# 训练前一定要修改classes_path，使其对应自己的数据集
#--------------------------------------------------------#
classes_path = 'model_data/voc_classes.txt'
#----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------#
# 权值文件请看README，百度网盘下载。数据的预训练权重对不同数据集是通用的，因为特征是通用的。
# 预训练权重对于99%的情况都必须要用，不用的话权值太过随机，特征提取效果不明显，网络训练的结果也不会好。
# 训练自己的数据集时提示维度不匹配正常，预测的东西都不一样了自然维度不匹配
#
# 如果想要断点续练就将model_path设置成logs文件夹下已经训练的权值文件。
# 当model_path = ''的时候不加载整个模型的权值。
#
# 此处使用的是整个模型的权重，因此是在train.py进行加载的。
# 如果想要让模型从主干的预训练权值开始训练，则设置model_path为主干网络的权值，此时仅加载主干。
# 如果想要让模型从0开始训练，则设置model_path = ''，Freeze_Train = Fasle，此时从0开始训练，且没有冻结主干的过程。
# 一般来讲，从0开始训练效果会很差，因为权值太过随机，特征提取效果不明显。
#----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------#
model_path = 'model_data/ssd_weights.h5'
#------------------------------------------------------#
# 输入的shape大小
#------------------------------------------------------#
input_shape = [300, 300]
#----------------------------------------------------#
# 可用于设定先验框的大小，默认的anchors_size
# 是根据voc数据集设定的，大多数情况下都是通用的！
# 如果想要检测小物体，可以修改anchors_size
# 一般调小浅层先验框的大小就行了！因为浅层负责小物体检测！
# 比如anchors_size = [21, 45, 99, 153, 207, 261, 315]
#----------------------------------------------------#
anchors_size = [30, 60, 111, 162, 213, 264, 315]
#----------------------------------------------------#
# 训练分为两个阶段，分别是冻结阶段和解冻阶段。
# 显存不足与数据集大小无关，提示显存不足请调小batch_size。
# 受到BatchNorm层影响，batch_size最小为2，不能为1。
#----------------------------------------------------#
#----------------------------------------------------#
# 冻结阶段训练参数
# 此时模型的主干被冻结了，特征提取网络不发生改变
# 占用的显存较小，仅对网络进行微调
#----------------------------------------------------#
Init_Epoch = 0
Freeze_Epoch = 50
Freeze_batch_size = 16
Freeze_lr = 5e-4
#----------------------------------------------------#
# 解冻阶段训练参数
# 此时模型的主干不被冻结了，特征提取网络会发生改变
# 占用的显存较大，网络所有的参数都会发生改变
#----------------------------------------------------#
UnFreeze_Epoch = 100
Unfreeze_batch_size = 8
Unfreeze_lr = 5e-5
#------------------------------------------------------#
# 是否进行冻结训练，默认先冻结主干训练后解冻训练。
#------------------------------------------------------#
Freeze_Train = True
#------------------------------------------------------#
# 用于设置是否使用多线程读取数据，0代表关闭多线程
# 开启后会加快数据读取速度，但是会占用更多内存
# keras里开启多线程有些时候速度反而慢了许多
# 在IO为瓶颈的时候再开启多线程，即GPU运算速度远大于读取图片的速度。
#------------------------------------------------------#
num_workers = 0
#----------------------------------------------------#
# 获得图片路径和标签
#----------------------------------------------------#
train_annotation_path = '2007_train.txt'
val_annotation_path = '2007_val.txt'
四、训练结果预测
训练结果预测需要用到两个文件，分别是yolo.py和predict.py。
我们首先需要去yolo.py里面修改model_path以及classes_path，这两个参数必须要修改。
model_path指向训练好的权值文件，在logs文件夹里。
classes_path指向检测类别所对应的txt。
完成修改后就可以运行predict.py进行检测了。运行后输入图片路径即可检测。
今天的文章睿智的目标检测24——Keras搭建Mobilenet-SSD目标检测平台分享到此就结束了，感谢您的阅读。
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