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[人工智能]【程序】yolo_v1 loss函数:nooobj_loss;contain_loss;loc_loss;not_contain_loss;class_loss

nooobj_loss = F.mse_loss(noo_pred_c, noo_target_c, size_average=False)

说明:nooobj_loss是在输出图片的方格里面,将预测结果的最后30维的4和9,也就是第5和第10个元素显示出来,这两个位置的元素在target_tensor里是置信度。通过对照,选出GT没有标注的表格,对这些表格中预测值的置信度做回归。

目的:是为了通过回归将相应表格的预测值中的置信度学习为0。

contain_loss = F.mse_loss(box_pred_response[:, 4], box_target_response_iou[:, 4], size_average=False)

说明:contain_loss是在输出图片上面,拿预测的坐标信息和GT计算出来实际的IOU(选最大的),然后将它和预测的IOU做回归。

目的:通过回归将预测的IOU值与计算出来的差值接近0。

loc_loss = F.mse_loss(box_pred_response[:, :2], box_target_response[:, :2], size_average=False) + F.mse_loss(
    torch.sqrt(box_pred_response[:, 2:4]), torch.sqrt(box_target_response[:, 2:4]), size_average=False)

说明:loc_loss是在输出图上,将预测的框的中心点和比例信息与GT的框的信息做回归。

目的:通过回归将预测框信息与GT框信息的差值接近0。

not_contain_loss = F.mse_loss(box_pred_not_response[:, 4], box_target_not_response[:, 4], size_average=False)

说明:not_contain_loss是在输出图上(由于每个表格预测两个框),将IOU值较低的那个预测框信息的置信度设置为0,与相对应的预测框的置信度做回归。

目的:通过回归将相应预测框的置信度接近0.

class_loss = F.mse_loss(class_pred, class_target, size_average=False)

说明:class_loss是对分类值做回归,对预测框预测出来的类别和GT框的分类值做回归,使预测类别更准确。

目的:通过回归将预测框的分类值与GT一致。

# -*- coding: utf-8 -*-
"""
@Time          : 2020/08/12 18:30
@Author        : FelixFu / Bryce
@File          : yoloLoss.py
@Noice         :
@Modificattion :
    @Detail    : a little dufficult in builting yoloLoss funcion
"""

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F


class yoloLoss(nn.Module):
    def __init__(self, S, B, l_coord, l_noobj):
        super(yoloLoss, self).__init__()
        self.S = S
        self.B = B
        self.l_coord = l_coord
        self.l_noobj = l_noobj

    def compute_iou(self, box1, box2):
        """Compute the intersection over union of two set of boxes, each box is [x1,y1,x2,y2].
        Args:
          box1: (tensor) bounding boxes, sized [N,4].
          box2: (tensor) bounding boxes, sized [M,4].
        Return:
          (tensor) iou, sized [N,M].
        """
        # 首先计算两个box左上角点坐标的最大值和右下角坐标的最小值,然后计算交集面积,最后把交集面积除以对应的并集面积
        N = box1.size(0)
        M = box2.size(0)

        lt = torch.max(  # 左上角的点
            box1[:, :2].unsqueeze(1).expand(N, M, 2),  # [N,2] -> [N,1,2] -> [N,M,2]
            box2[:, :2].unsqueeze(0).expand(N, M, 2),  # [M,2] -> [1,M,2] -> [N,M,2]
        )

        rb = torch.min(  # 右下角的点
            box1[:, 2:].unsqueeze(1).expand(N, M, 2),  # [N,2] -> [N,1,2] -> [N,M,2]
            box2[:, 2:].unsqueeze(0).expand(N, M, 2),  # [M,2] -> [1,M,2] -> [N,M,2]
        )

        wh = rb - lt  # [N,M,2]
        wh[wh < 0] = 0  # clip at 指两个box没有重叠区域
        inter = wh[:, :, 0] * wh[:, :, 1]  # [N,M]

        area1 = (box1[:, 2] - box1[:, 0]) * (box1[:, 3] - box1[:, 1])  # [N,]
        area2 = (box2[:, 2] - box2[:, 0]) * (box2[:, 3] - box2[:, 1])  # [M,]
        area1 = area1.unsqueeze(1).expand_as(inter)  # [N,] -> [N,1] -> [N,M]
        area2 = area2.unsqueeze(0).expand_as(inter)  # [M,] -> [1,M] -> [N,M]

        iou = inter / (area1 + area2 - inter)
        return iou

    def forward(self, pred_tensor, target_tensor):
        """
        pred_tensor: (tensor) size(batchsize,S,S,Bx5+20=30) [x,y,w,h,c]
        target_tensor: (tensor) size(batchsize,S,S,30)
        """
        N = pred_tensor.size()[0]
        # 具有目标标签的索引(bs, 7, 7, 30)中7*7方格中的哪个方格包含目标
        coo_mask = target_tensor[:, :, :, 4] > 0  # coo_mask.shape = (bs, 7, 7)
        noo_mask = target_tensor[:, :, :, 4] == 0  # 不具有目标的标签索引
        # 得到含物体的坐标等信息(coo_mask扩充到与target_tensor一样形状, 沿最后一维扩充)
        coo_mask = coo_mask.unsqueeze(-1).expand_as(target_tensor)
        noo_mask = noo_mask.unsqueeze(-1).expand_as(target_tensor)

        #  coo_pred:tensor[, 30](所有batch数据都压缩在一起)
        coo_pred = pred_tensor[coo_mask].view(-1, 30)
        box_pred = coo_pred[:, :10].reshape(-1, 5)  # box[x1,y1,w1,h1,c1], [x2,y2,w2,h2,c2]
        class_pred = coo_pred[:, 10:]

        coo_target = target_tensor[coo_mask].view(-1, 30)
        box_target = coo_target[:, :10].contiguous().view(-1, 5)
        class_target = coo_target[:, 10:]

        # compute not contain obj loss
        noo_pred = pred_tensor[noo_mask].view(-1, 30)
        noo_target = target_tensor[noo_mask].view(-1, 30)

        noo_pred_mask = torch.cuda.ByteTensor(noo_pred.size()).bool()  # 随机的True 和 False
        noo_pred_mask.zero_()  # 全部改成False
        noo_pred_mask[:, 4] = 1
        noo_pred_mask[:, 9] = 1
        noo_pred_c = noo_pred[noo_pred_mask]  # noo pred只需要计算 c 的损失 size[-1,2]
        noo_target_c = noo_target[noo_pred_mask]
        nooobj_loss = F.mse_loss(noo_pred_c, noo_target_c, size_average=False)

        # compute contain obj loss
        coo_response_mask = torch.cuda.ByteTensor(box_target.size()).bool()
        coo_response_mask.zero_()
        coo_not_response_mask = torch.cuda.ByteTensor(box_target.size()).bool()
        coo_not_response_mask.zero_()
        box_target_iou = torch.zeros(box_target.size()).cuda()
        for i in range(0, box_target.size()[0], 2):  # choose the best iou box
            box1 = box_pred[i:i + 2]  # 获取当前格点预测的b个box
            box1_xyxy = torch.FloatTensor(box1.size())
            # (x,y,w,h)
            box1_xyxy[:, :2] = box1[:, :2] / 14. - 0.5 * box1[:, 2:4]
            box1_xyxy[:, 2:4] = box1[:, :2] / 14. + 0.5 * box1[:, 2:4]
            box2 = box_target[i].view(-1, 5)
            box2_xyxy = torch.FloatTensor(box2.size())
            box2_xyxy[:, :2] = box2[:, :2] / 14. - 0.5 * box2[:, 2:4]
            box2_xyxy[:, 2:4] = box2[:, :2] / 14. + 0.5 * box2[:, 2:4]  # 存在负值,但比较的应该是比例层面的,以物体为中心点
            iou = self.compute_iou(box1_xyxy[:, :4], box2_xyxy[:, :4])  # [2,1]
            max_iou, max_index = iou.max(0)
            max_index = max_index.data.cuda()

            coo_response_mask[i + max_index] = 1
            coo_not_response_mask[i + 1 - max_index] = 1

            #####
            # we want the confidence score to equal the
            # intersection over union (IOU) between the predicted box
            # and the ground truth
            #####
            # iou value 作为box包含目标的confidence(赋值在向量的第五个位置)
            box_target_iou[i + max_index, torch.LongTensor([4]).cuda()] = (max_iou).data.cuda()
        box_target_iou = box_target_iou.cuda()
        # 1.response loss
        box_pred_response = box_pred[coo_response_mask].view(-1, 5)
        box_target_response_iou = box_target_iou[coo_response_mask].view(-1, 5)
        box_target_response = box_target[coo_response_mask].view(-1, 5)
        contain_loss = F.mse_loss(box_pred_response[:, 4], box_target_response_iou[:, 4], size_average=False)
        loc_loss = F.mse_loss(box_pred_response[:, :2], box_target_response[:, :2], size_average=False) + F.mse_loss(
            torch.sqrt(box_pred_response[:, 2:4]), torch.sqrt(box_target_response[:, 2:4]), size_average=False)

        # 2.not response loss
        box_pred_not_response = box_pred[coo_not_response_mask].view(-1, 5)
        box_target_not_response = box_target[coo_not_response_mask].view(-1, 5)
        box_target_not_response[:, 4] = 0
        # not_contain_loss = F.mse_loss(box_pred_response[:,4],box_target_response[:,4],size_average=False)

        # I believe this bug is simply a typo
        not_contain_loss = F.mse_loss(box_pred_not_response[:, 4], box_target_not_response[:, 4], size_average=False)

        # 3.class loss
        class_loss = F.mse_loss(class_pred, class_target, size_average=False)

        return (self.l_coord * loc_loss + self.B * contain_loss + not_contain_loss + self.l_noobj * nooobj_loss + class_loss) / N

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