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SSD源码解读——网络测试
内容导读
互联网集市收集整理的这篇技术教程文章主要介绍了SSD源码解读——网络测试，小编现在分享给大家，供广大互联网技能从业者学习和参考。文章包含15633字，纯文字阅读大概需要23分钟。
内容图文
之前，对SSD的论文进行了解读，可以回顾之前的博客：https://www.cnblogs.com/dengshunge/p/11665929.html。
为了加深对SSD的理解，因此对SSD的源码进行了复现，主要参考的github项目是ssd.pytorch。
搭建SSD的项目，可以分成以下四个部分：
接下来，本篇博客重点分析网络测试。
在eval.py文件中，首先需要搭建测试用的网络。此时，需要将传入的第一个参数换成"test"字符串，这是因为训练和测试阶段，网络的输出会有不同。在测试阶段，会对预测框进行nms等操作。然后是常规的加载训练模型，将网络设置成eval模式，不更新梯度。
num_classes = len(labelmap) + 1 # +1 for background
net = build_ssd('test', 300, num_classes) # initialize SSD
net.load_state_dict(torch.load(args.trained_model))
net.eval()
我们再来看看，测试阶段中SSD网络的不同。在ssd.py中，如果是test阶段，在类ssd()中，会初始化函数Detect()函数。并且在类SSD()的forward函数中，将坐标预测结果，经过softmax的置信度预测结果和先验锚点框传递进去，进行运算。最终输出一个tensor，shape为[batch,num_classes,top_k,5]。其中，num_classes是类别总数，对于VOC而言，为21；top_k表示最多取top_k个锚点框进行输出，论文中值为200；5表示[confidence,xmin,ymin,xmax,ymax]。
if phase == 'test':
self.softmax = nn.Softmax(dim=-1)
self.detect = Detect(num_classes=self.num_classes, top_k=200,
conf_thresh=0.01, nms_thresh=0.45)
if self.phase == 'train':
output = (loc.view(loc.size(0), -1, 4), # [batch_size,num_priors,4]
conf.view(conf.size(0), -1, self.num_classes), # [batch_size,num_priors,21]
self.priors) # [num_priors,4]
else: # Test
output = self.detect(
loc.view(loc.size(0), -1, 4), # 位置预测
self.softmax(conf.view((conf.size(0), -1, self.num_classes))), # 置信度预测
self.priors.cuda() # 先验锚点框
)
在models/detection.py中，定义了类Detect()。首先，创建output来保存最终结果，其shape为[batch,num_classes,top_k,5]，其具体含义可以看上面。然后对对置信度结果进行transpose转置，这样做的目的是方便后续计算，conf_preds的shape为[batch,num_classes,num_priors]。接着，由于网络预测出来的位置预测结果，并不是真正的坐标，需要对其结果进行解码，得到真正的坐标（其范围是[0,1]之间）；然后，对每个类别进行单独计算（不包含背景）， c_mask = conf_scores[cl].gt(self.conf_thresh) 表示对某一类（如bike）得到shape为[1,8732]的tensor，每个值表示预测框对该类别的置信度，通过函数gt()，得到大于置信度阈值的掩码（即为c_mask，元素组成是true或者false）。通过这个mask，就可以获得大于置信度要求的预测框（包含置信度和坐标），并通过nms操作，得到最终输出锚点框的Index，将对应的结果（置信度和坐标）保存在output中。
class Detect(Function):
def __init__(self, num_classes, top_k, conf_thresh, nms_thresh):
self.num_classes = num_classes
self.top_k = top_k
# Parameters used in nms.
self.nms_thresh = nms_thresh # 非极大值抑制阈值
self.conf_thresh = conf_thresh # 置信度阈值
def forward(self, loc_data, conf_data, prior_data):
'''
:param loc_data: 模型预测的锚点框位置偏差信息,shape[batch,num_priors,4]
:param conf_data: 模型预测的锚点框置信度,[batch,num_priors,num_classes]
:param prior_data: 先验锚点框,[num_priors,4]
:return:最终预测结果,shape[batch,num_classes,top_k,5],其中5表示[置信度,xmin,ymin,xmax,ymax],
top_k中前面不为0的是预测结果,后面为0是为了填充
'''
num = loc_data.shape[0] # batch size
num_priors = prior_data.shape[0] # 8732
output = torch.zeros(num, self.num_classes, self.top_k, 5) # 保存结果
conf_preds = conf_data.view(num, num_priors, self.num_classes).transpose(2, 1) # 置信度预测,transpose是为了后续操作方便
for i in range(num):
decoded_boxes = decode(loc_data[i], prior_data, voc['variance']) # shape:[num_priors,4],对预测锚点框进行解码
# 对每个类别,执行nms
conf_scores = conf_preds[i].clone() # shape:[num_classes,num_priors]
for cl in range(1, self.num_classes):
c_mask = conf_scores[cl].gt(self.conf_thresh) # 和置信度阈值进行比较,大于为true,否则为false
scores = conf_scores[cl][c_mask] # 得到置信度大于阈值的那些锚点框置信度
if scores.shape[0] == 0:
# 说明锚点框与这一类的GT框不匹配,简介说明,不存在这一类的目标
continue
l_mask = c_mask.unsqueeze(1).expand_as(decoded_boxes)
boxes = decoded_boxes[l_mask].view(-1, 4) # 得到置信度大于阈值的那些锚点框
ids = nms(boxes, scores, self.nms_thresh, self.top_k) # 对置信度大于阈值的那些锚点框进行nms,得到最终预测结果的index
output[i, cl, :len(ids)] = torch.cat((scores[ids].unsqueeze(1),
boxes[ids]), 1) # [置信度,xmin,ymin,xmax,ymax]
return output
解码函数decode()在models.box_utils.py中。在训练阶段，我们对坐标进行了带方差的编码，因此，需要对坐标进行同样方式的解码。
$$b^{cx}=d^w(var[0]*l^{cx})+d^{cx}, b^{cy}=d^h(var[1]*l^{cy})+d^{cy}$$
$$b^w=d^wexp(var[2]*l^w), b^h=d^hexp(var[3]*l^h)$$
def decode(loc, priors, variances):
'''
对编码的坐标进行解码,返回预测框的坐标
:param loc: 网络预测的锚点框偏差信息,shape[num_priors,4]
:param priors: 先验锚点框,[num_priors,4]
:return: 预测框的坐标[num_priors,4],4代表[xmin,ymin,xmax,ymax]
'''
boxes = torch.cat((
priors[:, :2] + loc[:, :2] * priors[:, 2:] * variances[0],
priors[:, 2:] * torch.exp(loc[:, 2:] * variances[1])), 1) # [中心点x,中心点y,宽,高]
boxes[:, :2] -= boxes[:, 2:] / 2 # xmin,ymin
boxes[:, 2:] += boxes[:, :2] # xmax,ymax
return boxes
在models.box_utils.py中，还存在着nms()函数。首先对置信度进行降序排序，取出置信度最大的前top_k个用于判断，其余的锚点框，则不加入判断中。然后，对这些预测框进行nms操作，即判断一个锚点框与其余锚点框的IOU，只保留IOU小于阈值的锚点框，排除大于阈值的锚点框，将剩余的锚点框再次循环，直至idx中不存在元素，即keep中保留的锚点框编号为最终输出的锚点框。
def nms(boxes, scores, overlap=0.5, top_k=200):
'''
进行nms操作
:param boxes: 模型预测的锚点框的坐标
:param scores: 模型预测的锚点框对应某一类的置信度
:param overlap:nms阈值
:param top_k:选取前top_k个预测框进行操作
:return:预测框的index
'''
keep = torch.zeros(scores.shape[0])
if boxes.numel() == 0: # numel()返回tensor里面所有元素的个数
return keep
_, idx = scores.sort(0) # 升序排序
idx = idx[-top_k:] # 取得最大的top_k个置信度对应的index
keep = [] # 记录最大最终锚点框的index
while idx.numel() > 0:
i = idx[-1] # 取出置信度最大的锚点框的index
keep.append(i)
idx = idx[:-1]
if idx.numel() == 0:
break
IOU = jaccard(boxes[i].unsqueeze(0), boxes[idx]) # 计算这个锚点框与其余锚点框的iou
mask = IOU.le(overlap).squeeze(0)
idx = idx[mask] # 排除大于阈值的锚点框
return torch.tensor(keep)
接下来，还是回到eval.py函数中，继续理解网络测试代码。接下来加载测试数据，方式与之前介绍的类似。但这里的图片处理方式函数BaseTransform()并不需要进行数据增强，值需要将数据进行resize和减去均值。其余的内容，几乎一致。
# 记载数据
dataset = VOCDetection(args.voc_root, [('2007', 'test')], BaseTransform(300, (104, 117, 123)),
VOCAnnotationTransform())
接下来，循环每张测试图片。根据每类类别，得到第i张图片的第j个类别的信息，包含检测框的置信度和坐标，其中，坐标是真实坐标（不是[0,1]之间），并将其放入变量all_boxes中。变量all_boxes是一个类似二维矩阵的变量， all_boxes = [[[] for _ in range(num_images)] for _ in range(len(labelmap) + 1)] ，其中，列表示每个类别，行表示每张图片的检测信息。这样，就能得到所有图片所有类别的检测信息了，就可以用于下面的准确率、召回率和mAP计算了。
for i in range(num_images):
img, gt, h, w = dataset.pull_item(i)
img = img.unsqueeze(0)
if torch.cuda.is_available():
img = img.cuda()
detections = net(img) # 得到结果,shape[1,21,200,5]
for j in range(1, detections.shape[1]): # 循环计算每个类别
dets = detections[0, j, :] # shape[200,5],表示每个类别中最多200个锚点框,每个锚点框有5个值[conf,xmin,ymin,xmax,ymax]
mask = dets[:, 0].gt(0.).expand(5, dets.shape[0]).t() # 取出置信度大于0的情况.因为可能会出现实际有值的锚点框少于200个
dets = torch.masked_select(dets, mask).view(-1, 5) # 取出这些锚点框
if dets.shape[0] == 0:
# 说明该图片不存在该类别
continue
boxes = dets[:, 1:] # 取出锚点框坐标
# 计算出真实坐标
boxes[:, 0] *= w
boxes[:, 1] *= h
boxes[:, 2] *= w
boxes[:, 3] *= h
scores = dets[:, 0].numpy()
# np.newaxis增加一个新轴
# 注意[xmin,ymin,xmax,ymax,conf]
cls_dets = np.hstack((boxes.numpy(), scores[:, np.newaxis])).astype(np.float32, copy=False)
all_boxes[j][i] = cls_dets
利用上面得到的all_boxes信息，进入到测试函数的关键部分，函数evaluate_detections()。首先，将所有检测结果已文本的形式保存下来，方便读取和调用。然后再执行计算评价指标的函数。
def evaluate_detections(all_boxes, dataset):
write_voc_results_file(all_boxes, dataset) # 将所有检测结果写成文本,保存下来
do_python_eval(use_07=False)
在函数write_voc_results_file()中，实现的功能就是根据某一类别和测试图片的index，读取变量all_boxes中的检测信息，将其按照[图片名，置信度，xmin,ymin,xmax,ymax]的形式，写入文本中。如VOC，我们会得到20个文本文件，不同文本表示不同的类别；同一文本下，包含了所有测试图片对该类别的检测结果。
def write_voc_results_file(all_boxes, dataset):
# 将检测结果按照每类写成文本,方便后面读取结果
for cls_ind, cls in enumerate(labelmap):
print('Writing {:s} VOC results file'.format(cls))
if not os.path.exists(args.save_det_result):
os.mkdir(args.save_det_result)
filename = os.path.join(args.save_det_result, 'det_%s.txt' % (cls))
with open(filename, 'w') as f:
for im_ind, index in enumerate(dataset.ids): # dataset.ids:[path,图片名]
dets = all_boxes[cls_ind + 1][im_ind] # 测试的时候,图片是按这个顺序读取的
if dets == []:
continue
for k in range(dets.shape[0]):
f.write('{:s} {:.3f} {:.1f} {:.1f} {:.1f} {:.1f}\n'.
format(index[1], dets[k, -1],
dets[k, 0] + 1, dets[k, 1] + 1,
dets[k, 2] + 1, dets[k, 3] + 1))
当将信息保存完后，就进入到do_python_eval()函数中。参数use_07表示(true)使用2007的11点计算mAP方式还是(false)2010年的mAP计算方式。首先按照每个类别，读取上述保存检测结果的文件。进入到关键函数voc_eval()中，得到召回率、准确率和AP值。
def do_python_eval(use_07=True):
aps = [] # 保存所有类别的AP
for i, cls in enumerate(labelmap):
filename = os.path.join(args.save_det_result, 'det_%s.txt' % (cls)) # 读取这一类别的检测结果,对应上刚刚保存的结果
rec, prec, ap = voc_eval(filename,
os.path.join(args.voc_root, 'VOC2007', 'ImageSets', 'Main', 'test.txt'),
cls,
args.cachedir,
ovthresh=0.5,
use_07_metric=use_07)
aps += [ap]
print('AP for {} = {:.4f}'.format(cls, ap))
在函数voc_eval()中，首先，会读取所有测试图片相关的xml文件，读取的方式与一开始介绍的数据读取类似，将所有信息保存在字典recs中，其中，key为图片名字，value是xml文件信息。并将该resc信息保存下来，方便以后继续读取。因为这里面都是真实信息，变动相对较少。然后根据某一类别，在字典recs中读取每个图片，将该类别的信息提取出来，构成字典class_recs，其中key为某一类下的图片名称，value为GT框坐标、是否难例和是否已经检测过。上面是处理真实信息，接下来，处理预测信息。读取某一类的预测结果文件，该文件在函数write_voc_results_file()中形成的。然后对文件内容进行分割，得到文件名，置信度，预测框等集合，并根据置信度，对3个集合进行降序排列。按顺序读取每个预测框，计算该预测框与这张图所有GT框的IOU。当IOU大于阈值且该GT框没有匹配过时，tp的相应位置置1，否则fp的相应位置置0。由此可以，tp和fp互斥。上述的tp和fp并不是true positive和false positive，需要进行行累加，并除以预测框总数或者GT框总数，才能得到召回率和准确率。之后通过计算，得到给类别的AP值。
def voc_eval(detpath, # 某一类别下检测结果,每一行由文件名,置信度和检测坐标组成
imagesetfile, # 包含所有测试图片的文件
classname, # 需要检测的类别
cachedir, # 缓存GT框的pickle文件
ovthresh=0.5, # IOU阈值
use_07_metric=True):
'''
假设检测结果在detpath.format(classname)下
假设GT框坐标在annopath.format(imagename)
假设imagesetfile每行仅包含一个文件名
缓存所有GT框
'''
if not os.path.isdir(cachedir):
os.mkdir(cachedir)
cachefile = os.path.join(cachedir, 'annots.pkl')
# 读取所有检测图片
with open(imagesetfile, 'r') as f:
lines = f.readlines()
imagenames = [x.strip() for x in lines] # 每张测试图片的名字
# 下面代码是创建缓存文件,方便读取
if not os.path.isfile(cachefile):
# 不存在GT框缓存文件,则创建
recs = {} # key为图片名字,value为该图片下所有检测信息
for i, imagename in enumerate(imagenames):
recs[imagename] = parse_rec(
os.path.join(args.voc_root, 'VOC2007', 'Annotations',
'%s.xml') % (imagename)) # 返回该图片下所有xml信息,包含所有目标
if i % 100 == 0:
print('Reading annotation for {:d}/{:d}'.format(
i + 1, len(imagenames)))
# 保存下来,方便下次读取
print('Saving cached annotations to {:s}'.format(cachefile))
with open(cachefile, 'wb') as f:
pickle.dump(recs, f)
else:
# 如果已经存在该文件,则加载回来即可
with open(cachefile, 'rb') as f:
recs = pickle.load(f)
# 为这一类提取GT框
class_recs = {}
npos = 0 # 这一类别的gt框总数
for imagename in imagenames:
R = [obj for obj in recs[imagename] if obj['name'] == classname] # 提取某张测试图片下该类别的信息
bbox = np.array([x['bbox'] for x in R]) # GT框坐标
difficult = np.array([x['difficult'] for x in R]).astype(np.bool) # 元素为true或者false,true表示难例
det = [False] * len(R) # 长度为len(R)的list,用于表示该GT框是否已经匹配过,len(R)可以理解为该测试图片下,该类别的数量
npos = npos + sum(~difficult) # 只选取非难例,计算非难例的个数,可以理解为GT框的个数
class_recs[imagename] = {'bbox': bbox,
'difficult': difficult,
'det': det}
# 读取这一类的检测结果
with open(detpath, 'r') as f:
lines = f.readlines()
if any(lines) == 1: # 不为空
splitlines = [x.strip().split(' ') for x in lines]
image_ids = [x[0] for x in splitlines] # 图片名称集合,包含重复的
confidence = np.array([float(x[1]) for x in splitlines]) # 置信度集合
BB = np.array([[float(z) for z in x[2:]] for x in splitlines]) # 检测框集合
# 根据置信度,降序排列
sorted_ind = np.argsort(-confidence) # 降序排名
sorted_scores = np.sort(-confidence) # 降序排列
BB = BB[sorted_ind, :] # 检测框根据置信度进行降序排列
image_ids = [image_ids[x] for x in sorted_ind]
nd = len(image_ids) # 检测的目标总数
tp = np.zeros(nd) # 记录tp
fp = np.zeros(nd) # 记录fp,与tp互斥
for d in range(nd): # 循环每个预测框
R = class_recs[image_ids[d]] # 该图片下的真实信息
bb = BB[d, :].astype(float) # 预测框的坐标
ovmax = -np.inf # 预测框与GT框的IOU
BBGT = R['bbox'].astype(float) # GT框的坐标
if BBGT.size > 0:
# 计算多个GT框与一个预测框的IOU,选择最大IOU
# 下面是计算IOU的流程
ixmin = np.maximum(BBGT[:, 0], bb[0])
iymin = np.maximum(BBGT[:, 1], bb[1])
ixmax = np.minimum(BBGT[:, 2], bb[2])
iymax = np.minimum(BBGT[:, 3], bb[3])
iw = np.maximum(ixmax - ixmin, 0.)
ih = np.maximum(iymax - iymin, 0.)
inters = iw * ih
uni = ((bb[2] - bb[0]) * (bb[3] - bb[1]) +
(BBGT[:, 2] - BBGT[:, 0]) *
(BBGT[:, 3] - BBGT[:, 1]) - inters)
overlaps = inters / uni
ovmax = np.max(overlaps) # 得到该预测框与GT框最大的IOU值
jmax = np.argmax(overlaps) # 得到该预测框对应最大IOU的GT框的index
if ovmax > ovthresh:
# 当IOU大于阈值,才有机会判断为正例
# 判断为fp有两种情况:
# 1.该GT框被置信度高的预测框匹配过
# 2.IOU小于阈值
if not R['difficult'][jmax]:
# 该GT框要求之前没有匹配过
# 由于置信度是降序排序的,GT框只匹配置信度最高的,其余认为是FP
tp[d] = 1.
R['det'][jmax] = 1
else:
fp[d] = 1.
else:
fp[d] = 1
# 计算recall,precision
fp = np.cumsum(fp) # shape:[1,nd]
tp = np.cumsum(tp) # shape:[1,nd]
rec = tp / float(npos) # 召回率
prec = tp / np.maximum(tp + fp, np.finfo(np.float64).eps) # 准确率,防止除0
ap = voc_ap(rec, prec, use_07_metric)
else:
rec = -1.
prec = -1.
ap = -1.
return rec, prec, ap
根据召回率，准确率，就可以计算该类别的AP值了。计算AP值有两种方法，第一种是2007年的11点计算，该方法给召回率设定11个阈值，如 np.arange(0., 1.1, 0.1) ，计算大于阈值情况下的最大准确率，获得11个准确率后，求平均，就得到了AP值；第二种方法是2010年提出的，首先将PR曲线进行平滑，第i-i个点去第i-1个和第i个点的最大值，将PR曲边变成了递减曲线，然后计算该递减曲线下的面积，得到AP值。
def voc_ap(rec, prec, use_07_metric=True):
'''
根据召回率和准确率,计算AP
AP计算有两种方式:1.11点计算;2.最大面积计算
:param rec: [1,num_all_detect]
:param prec: [1,num_all_detect]
'''
if use_07_metric:
# 旧版,11点计算
ap = 0.
for t in np.arange(0., 1.1, 0.1):
# 给召回率设定阈值,统计当召回率大于阈值的情况下,最大的准确率
if np.sum(rec >= t) == 0:
# 说明召回率没有比t更大
p = 0
else:
p = np.max(prec[rec >= t])
ap = ap + p / 11
else:
# 增加两个数字,是为了方便计算
mrec = np.concatenate(([0.], rec, [1.])) # shape:[1,num_all_detect+2]
mpre = np.concatenate(([0.], prec, [0.]))
# 计算最大面积
for i in range(mpre.size - 1, 0, -1):
# 取右边的最大值
mpre[i - 1] = np.maximum(mpre[i - 1], mpre[i])
# 得到与前面的数值不一样的index,可以理解成,计算面积时的边长
i = np.where(mrec[1:] != mrec[:-1])[0]
ap = np.sum((mrec[i + 1] - mrec[i]) * mpre[i + 1]) # 计算面积,长*宽
return ap
至此，SSD的网络检测代码已经解读完成。
内容总结
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