睿智的目标检测23——Pytorch搭建SSD目标检测平台

学习前言

一起来看看SSD的Pytorch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/ssd-pytorch
喜欢的可以点个star噢。

SSD实现思路

一、预测部分

1、主干网络介绍

SSD采用的主干网络是VGG网络，关于VGG的介绍大家可以看我的另外一篇博客https://blog.csdn.net/weixin_44791964/article/details/102779878，这里的VGG网络相比普通的VGG网络有一定的修改，主要修改的地方就是：
1、将VGG16的FC6和FC7层转化为卷积层。
2、去掉所有的Dropout层和FC8层；
3、新增了Conv6、Conv7、Conv8、Conv9。

如图所示，输入的图片经过了改进的VGG网络（Conv1->fc7）和几个另加的卷积层（Conv6->Conv9），进行特征提取：
a、输入一张图片后，被resize到300x300的shape

b、conv1，经过两次[3,3]卷积网络，输出的特征层为64，输出为(300,300,64)，再2X2最大池化，输出net为(150,150,64)。

c、conv2，经过两次[3,3]卷积网络，输出的特征层为128，输出net为(150,150,128)，再2X2最大池化，输出net为(75,75,128)。

d、conv3，经过三次[3,3]卷积网络，输出的特征层为256，输出net为(75,75,256)，再2X2最大池化，输出net为(38,38,256)。

e、conv4，经过三次[3,3]卷积网络，输出的特征层为512，输出net为(38,38,512)，再2X2最大池化，输出net为(19,19,512)。

f、conv5，经过三次[3,3]卷积网络，输出的特征层为512，输出net为(19,19,512)，再2X2最大池化，输出net为(19,19,512)。

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g、利用卷积代替全连接层，进行了两次[3,3]卷积网络，输出的特征层为1024，因此输出的net为(19,19,1024)。（从这里往前都是VGG的结构）

h、conv6，经过一次[1,1]卷积网络，调整通道数，一次步长为2的[3,3]卷积网络，输出的特征层为512，因此输出的net为(10,10,512)。

i、conv7，经过一次[1,1]卷积网络，调整通道数，一次步长为2的[3,3]卷积网络，输出的特征层为256，因此输出的net为(5,5,256)。

j、conv8，经过一次[1,1]卷积网络，调整通道数，一次padding为valid的[3,3]卷积网络，输出的特征层为256，因此输出的net为(3,3,256)。

k、conv9，经过一次[1,1]卷积网络，调整通道数，一次padding为valid的[3,3]卷积网络，输出的特征层为256，因此输出的net为(1,1,256)。

实现代码：

base = [64, 64, 'M', 128, 128, 'M', 256, 256, 256, 'C', 512, 512, 512, 'M',
            512, 512, 512]

def vgg(i):
    layers = []
    in_channels = i
    for v in base:
        if v == 'M':
            layers += [nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)]
        elif v == 'C':
            layers += [nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, ceil_mode=True)]
        else:
            conv2d = nn.Conv2d(in_channels, v, kernel_size=3, padding=1)
            layers += [conv2d, nn.ReLU(inplace=True)]
            in_channels = v
    pool5 = nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=1, padding=1)
    conv6 = nn.Conv2d(512, 1024, kernel_size=3, padding=6, dilation=6)
    conv7 = nn.Conv2d(1024, 1024, kernel_size=1)
    layers += [pool5, conv6,
               nn.ReLU(inplace=True), conv7, nn.ReLU(inplace=True)]
    return layers

def add_extras(i, batch_norm=False):
    # Extra layers added to VGG for feature scaling
    layers = []
    in_channels = i

    # Block 6
    # 19,19,1024 -> 10,10,512
    layers += [nn.Conv2d(in_channels, 256, kernel_size=1, stride=1)]
    layers += [nn.Conv2d(256, 512, kernel_size=3, stride=2, padding=1)]

    # Block 7
    # 10,10,512 -> 5,5,256
    layers += [nn.Conv2d(512, 128, kernel_size=1, stride=1)]
    layers += [nn.Conv2d(128, 256, kernel_size=3, stride=2, padding=1)]

    # Block 8
    # 5,5,256 -> 3,3,256
    layers += [nn.Conv2d(256, 128, kernel_size=1, stride=1)]
    layers += [nn.Conv2d(128, 256, kernel_size=3, stride=1)]
    
    # Block 9
    # 3,3,256 -> 1,1,256
    layers += [nn.Conv2d(256, 128, kernel_size=1, stride=1)]
    layers += [nn.Conv2d(128, 256, kernel_size=3, stride=1)]

    return layers

2、从特征获取预测结果

由上图我们可以知道，我们分别取conv4的第三次卷积的特征、fc7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，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，我们分别对其进行一次num_priors x 4的卷积、一次num_priors x num_classes的卷积、并需要计算每一个有效特征层对应的先验框。而num_priors指的是该特征层所拥有的先验框数量。

其中：
num_priors 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。（为什么说是变化情况呢，这是因为ssd的预测结果需要结合先验框获得预测框，预测结果就是先验框的变化情况。）

num_priors x num_classes的卷积 用于预测 该特征层上 每一个网格点上 每一个预测框对应的种类。

每一个有效特征层对应的先验框对应着该特征层上 每一个网格点上 预先设定好的三个框。

所有的特征层对应的预测结果的shape如下：

实现代码为：

class SSD(nn.Module):
    def __init__(self, phase, base, extras, head, num_classes):
        super(SSD, self).__init__()
        self.phase = phase
        self.num_classes = num_classes
        self.cfg = Config
        self.vgg = nn.ModuleList(base)
        self.L2Norm = L2Norm(512, 20)
        self.extras = nn.ModuleList(extras)
        self.priorbox = PriorBox(self.cfg)
        with torch.no_grad():
            self.priors = Variable(self.priorbox.forward())
        self.loc = nn.ModuleList(head[0])
        self.conf = nn.ModuleList(head[1])
        if phase == 'test':
            self.softmax = nn.Softmax(dim=-1)
            self.detect = Detect(num_classes, 0, 200, 0.01, 0.45)
    def forward(self, x):
        sources = list()
        loc = list()
        conf = list()

        # 获得conv4_3的内容
        for k in range(23):
            x = self.vgg[k](x)

        s = self.L2Norm(x)
        sources.append(s)

        # 获得fc7的内容
        for k in range(23, len(self.vgg)):
            x = self.vgg[k](x)
        sources.append(x)

        # 获得后面的内容
        for k, v in enumerate(self.extras):
            x = F.relu(v(x), inplace=True)
            if k % 2 == 1:
                sources.append(x)



        # 添加回归层和分类层
        for (x, l, c) in zip(sources, self.loc, self.conf):
            loc.append(l(x).permute(0, 2, 3, 1).contiguous())
            conf.append(c(x).permute(0, 2, 3, 1).contiguous())

        # 进行resize
        loc = torch.cat([o.view(o.size(0), -1) for o in loc], 1)
        conf = torch.cat([o.view(o.size(0), -1) for o in conf], 1)
        if self.phase == "test":
            # loc会resize到batch_size,num_anchors,4
            # conf会resize到batch_size,num_anchors,
            output = self.detect(
                loc.view(loc.size(0), -1, 4),                   # loc preds
                self.softmax(conf.view(conf.size(0), -1,
                             self.num_classes)),                # conf preds
                self.priors              
            )
        else:
            output = (
                loc.view(loc.size(0), -1, 4),
                conf.view(conf.size(0), -1, self.num_classes),
                self.priors
            )
        return output

mbox = [4, 6, 6, 6, 4, 4]

def get_ssd(phase,num_classes):

    vgg, extra_layers = add_vgg(3), add_extras(1024)

    loc_layers = []
    conf_layers = []
    vgg_source = [21, -2]
    for k, v in enumerate(vgg_source):
        loc_layers += [nn.Conv2d(vgg[v].out_channels,
                                 mbox[k] * 4, kernel_size=3, padding=1)]
        conf_layers += [nn.Conv2d(vgg[v].out_channels,
                        mbox[k] * num_classes, kernel_size=3, padding=1)]
                        
    for k, v in enumerate(extra_layers[1::2], 2):
        loc_layers += [nn.Conv2d(v.out_channels, mbox[k]
                                 * 4, kernel_size=3, padding=1)]
        conf_layers += [nn.Conv2d(v.out_channels, mbox[k]
                                  * num_classes, kernel_size=3, padding=1)]

    SSD_MODEL = SSD(phase, vgg, extra_layers, (loc_layers, conf_layers), num_classes)
    return SSD_MODEL

3、预测结果的解码

我们通过对每一个特征层的处理，可以获得三个内容，分别是：

num_priors 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_priors x num_classes的卷积 用于预测 该特征层上 每一个网格点上 每一个预测框对应的种类。

每一个有效特征层对应的先验框对应着该特征层上 每一个网格点上 预先设定好的三个框。

我们利用 num_priors x 4的卷积 与 每一个有效特征层对应的先验框 获得框的真实位置。

每一个有效特征层对应的先验框就是，如图所示的作用：
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38x38个网格；然后从每个网格中心建立多个先验框，如conv4-3的特征层就是建立了4个先验框；对于conv4-3的特征层来讲，整个图片被分成38x38个网格，每个网格中心对应4个先验框，一共包含了，38x38x4个，5776个先验框。

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_priors x 4的卷积的结果对先验框进行调整。

num_priors x 4中的num_priors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解码过程就是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，然后再利用 先验框和h、w结合 计算出预测框的长和宽。这样就能得到整个预测框的位置了。

当然得到最终的预测结构后还要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：

# Adapted from https://github.com/Hakuyume/chainer-ssd
def decode(loc, priors, variances):
    boxes = torch.cat((
        priors[:, :2] + loc[:, :2] * variances[0] * priors[:, 2:],
        priors[:, 2:] * torch.exp(loc[:, 2:] * variances[1])), 1)
    boxes[:, :2] -= boxes[:, 2:] / 2
    boxes[:, 2:] += boxes[:, :2]
    return boxes

class Detect(Function):
    def __init__(self, num_classes, bkg_label, top_k, conf_thresh, nms_thresh):
        self.num_classes = num_classes
        self.background_label = bkg_label
        self.top_k = top_k
        self.nms_thresh = nms_thresh
        if nms_thresh <= 0:
            raise ValueError('nms_threshold must be non negative.')
        self.conf_thresh = conf_thresh
        self.variance = Config['variance']

    def forward(self, loc_data, conf_data, prior_data):
        loc_data = loc_data.cpu()
        conf_data = conf_data.cpu()
        num = loc_data.size(0)  # batch size
        num_priors = prior_data.size(0)
        output = torch.zeros(num, self.num_classes, self.top_k, 5)
        conf_preds = conf_data.view(num, num_priors,
                                    self.num_classes).transpose(2, 1)
        # 对每一张图片进行处理
        for i in range(num):
            # 对先验框解码获得预测框
            decoded_boxes = decode(loc_data[i], prior_data, self.variance)
            conf_scores = conf_preds[i].clone()

            for cl in range(1, self.num_classes):
                # 对每一类进行非极大抑制
                c_mask = conf_scores[cl].gt(self.conf_thresh)
                scores = conf_scores[cl][c_mask]
                if scores.size(0) == 0:
                    continue
                l_mask = c_mask.unsqueeze(1).expand_as(decoded_boxes)
                boxes = decoded_boxes[l_mask].view(-1, 4)
                # 进行非极大抑制
                ids, count = nms(boxes, scores, self.nms_thresh, self.top_k)
                output[i, cl, :count] = \
                    torch.cat((scores[ids[:count]].unsqueeze(1),
                               boxes[ids[:count]]), 1)
        flt = output.contiguous().view(num, -1, 5)
        _, idx = flt[:, :, 0].sort(1, descending=True)
        _, rank = idx.sort(1)
        flt[(rank < self.top_k).unsqueeze(-1).expand_as(flt)].fill_(0)
        return output

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

从预测部分我们知道，每个特征层的预测结果，num_priors 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。

也就是说，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。

而在训练的时候，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。我们需要把图片输入到当前的ssd网络中，得到预测结果；同时还需要把真实框的信息，进行编码，这个编码是把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。

实现代码如下：

def encode(matched, priors, variances):
    g_cxcy = (matched[:, :2] + matched[:, 2:])/2 - priors[:, :2]
    g_cxcy /= (variances[0] * priors[:, 2:])
    g_wh = (matched[:, 2:] - matched[:, :2]) / priors[:, 2:]
    g_wh = torch.log(g_wh) / variances[1]
    return torch.cat([g_cxcy, g_wh], 1) 

在训练的时候我们只需要选择iou最大的先验框就行了，这个iou最大的先验框就是我们用来预测这个真实框所用的先验框。

因此我们还要经过一次筛选，将上述代码获得的真实框对应的所有的iou较大先验框的预测结果中，iou最大的那个筛选出来。

实现代码如下：

def match(threshold, truths, priors, variances, labels, loc_t, conf_t, idx):
    # 计算所有的先验框和真实框的重合程度
    overlaps = jaccard(
        truths,
        point_form(priors)
    )
    # 所有真实框和先验框的最好重合程度
    # [truth_box,1]
    best_prior_overlap, best_prior_idx = overlaps.max(1, keepdim=True)
    best_prior_idx.squeeze_(1)
    best_prior_overlap.squeeze_(1)
    # 所有先验框和真实框的最好重合程度
    # [1,prior]
    best_truth_overlap, best_truth_idx = overlaps.max(0, keepdim=True)
    best_truth_idx.squeeze_(0)
    best_truth_overlap.squeeze_(0)
    # 找到与真实框重合程度最好的先验框，用于保证每个真实框都要有对应的一个先验框
    best_truth_overlap.index_fill_(0, best_prior_idx, 2)
    # 对best_truth_idx内容进行设置
    for j in range(best_prior_idx.size(0)):
        best_truth_idx[best_prior_idx[j]] = j
    
    # 找到每个先验框重合程度最好的真实框
    matches = truths[best_truth_idx]          # Shape: [num_priors,4]
    conf = labels[best_truth_idx] + 1         # Shape: [num_priors]
    # 如果重合程度小于threhold则认为是背景
    conf[best_truth_overlap < threshold] = 0  # label as background
    loc = encode(matches, priors, variances)
    loc_t[idx] = loc    # [num_priors,4] encoded offsets to learn
    conf_t[idx] = conf  # [num_priors] top class label for each prior

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十来个，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：

class MultiBoxLoss(nn.Module):
    def __init__(self, num_classes, overlap_thresh, prior_for_matching,
                 bkg_label, neg_mining, neg_pos, neg_overlap, encode_target,
                 use_gpu=True):
        super(MultiBoxLoss, self).__init__()
        self.use_gpu = use_gpu
        self.num_classes = num_classes
        self.threshold = overlap_thresh
        self.background_label = bkg_label
        self.encode_target = encode_target
        self.use_prior_for_matching = prior_for_matching
        self.do_neg_mining = neg_mining
        self.negpos_ratio = neg_pos
        self.neg_overlap = neg_overlap
        self.variance = Config['variance']

    def forward(self, predictions, targets):
        # 回归信息，置信度，先验框
        loc_data, conf_data, priors = predictions
        # 计算出batch_size
        num = loc_data.size(0)
        # 取出所有的先验框
        priors = priors[:loc_data.size(1), :]
        # 先验框的数量
        num_priors = (priors.size(0))
        num_classes = self.num_classes
        # 创建一个tensor进行处理
        loc_t = torch.Tensor(num, num_priors, 4)
        conf_t = torch.LongTensor(num, num_priors)
        for idx in range(num):
            # 获得框
            truths = targets[idx][:, :-1].data
            # 获得标签
            labels = targets[idx][:, -1].data
            # 获得先验框
            defaults = priors.data
            # 找到标签对应的先验框
            match(self.threshold, truths, defaults, self.variance, labels,
                  loc_t, conf_t, idx)
        if self.use_gpu:
            loc_t = loc_t.cuda()
            conf_t = conf_t.cuda()
            
        # 转化成Variable
        loc_t = Variable(loc_t, requires_grad=False)
        conf_t = Variable(conf_t, requires_grad=False)

        # 所有conf_t>0的地方，代表内部包含物体
        pos = conf_t > 0
        # 求和得到每一个图片内部有多少正样本
        num_pos = pos.sum(dim=1, keepdim=True)
        # 计算回归loss
        pos_idx = pos.unsqueeze(pos.dim()).expand_as(loc_data)
        loc_p = loc_data[pos_idx].view(-1, 4)
        loc_t = loc_t[pos_idx].view(-1, 4)
        loss_l = F.smooth_l1_loss(loc_p, loc_t, size_average=False)

        # 转化形式
        batch_conf = conf_data.view(-1, self.num_classes)
        # 你可以把softmax函数看成一种接受任何数字并转换为概率分布的非线性方法
        # 获得每个框预测到真实框的类的概率
        loss_c = log_sum_exp(batch_conf) - batch_conf.gather(1, conf_t.view(-1, 1))
        loss_c = loss_c.view(num, -1)

        loss_c[pos] = 0 
        # 获得每一张图新的softmax的结果
        _, loss_idx = loss_c.sort(1, descending=True)
        _, idx_rank = loss_idx.sort(1)
        # 计算每一张图的正样本数量
        num_pos = pos.long().sum(1, keepdim=True)
        # 限制负样本数量
        num_neg = torch.clamp(self.negpos_ratio*num_pos, max=pos.size(1)-1)
        neg = idx_rank < num_neg.expand_as(idx_rank)

        # 计算正样本的loss和负样本的loss
        pos_idx = pos.unsqueeze(2).expand_as(conf_data)
        neg_idx = neg.unsqueeze(2).expand_as(conf_data)
        conf_p = conf_data[(pos_idx+neg_idx).gt(0)].view(-1, self.num_classes)
        targets_weighted = conf_t[(pos+neg).gt(0)]
        loss_c = F.cross_entropy(conf_p, targets_weighted, size_average=False)

        # Sum of losses: L(x,c,l,g) = (Lconf(x, c) + αLloc(x,l,g)) / N

        N = num_pos.data.sum()
        loss_l /= N
        loss_c /= N
        return loss_l, loss_c

训练自己的ssd模型

ssd整体的文件夹构架如下：

本文使用VOC格式进行训练。
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。

在训练前利用voc2ssd.py文件生成对应的txt。

再运行根目录下的voc_annotation.py，运行前需要将classes改成你自己的classes。

classes = ["aeroplane", "bicycle", "bird", "boat", "bottle", "bus", "car", "cat", "chair", "cow", "diningtable", "dog", "horse", "motorbike", "person", "pottedplant", "sheep", "sofa", "train", "tvmonitor"]

![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/20200320140915387.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc5MTk2NA==,size_16,color_FFFFFF,t_70
#pic_center =500x)
就会生成对应的2007_train.txt，每一行对应其图片位置及其真实框的位置。

在训练前需要修改model_data里面的voc_classes.txt文件，需要将classes改成你自己的classes。

还有config文件下面的Num_Classes，修改成分类的数量+1。

运行train.py即可开始训练。