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✅ YOLOv2 训练与推理流程详解（结合真实数据样例）

一、前言

YOLOv2 是目标检测领域的一次重要升级，由 Joseph Redmon 等人在论文《YOLO9000: Better, Faster, Stronger》中提出。

其核心改进包括：

• 引入 Anchor Boxes
• 多尺度预测
• 更强的主干网络（Darknet-19）
• 联合训练 COCO + ImageNet（YOLO9000）

本文将通过一个实际构造的数据样例，带你一步步走过 YOLOv2 的训练和推理过程。

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二、假设的数据集样例

我们构造一个小型的真实数据集样例用于说明训练与推理流程。

📦 数据集描述：

• 图像尺寸：416 × 416
• 类别数量：2 类（person, car）
• Anchor Boxes 数量：5 个（K-Means 聚类得到）
• 标注格式：PASCAL VOC XML（归一化坐标）

🧾 示例图像标注（ground truth）：

<object><name>person</name><bndbox><xmin>100</xmin><ymin>150</ymin><xmax>200</xmax><ymax>300</ymax></bndbox>
</object><object><name>car</name><bndbox><xmin>250</xmin><ymin>100</ymin><xmax>350</xmax><ymax>200</ymax></bndbox>
</object>

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三、YOLOv2 的训练流程详解

✅ 来源依据：

• YOLO9000: Better, Faster, Stronger (CVPR 2017)
• AlexeyAB/darknet 开源实现

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⚙️ Step 1: 数据预处理

🔁 输入图像处理：

• 调整为固定大小：416 × 416；
• 归一化像素值到 [0, 1] 区间；

🧮 边界框处理：

• 将 (xmin, ymin, xmax, ymax) 转换为 (x_center, y_center, width, height)，并归一化到 [0, 1]；
• 示例转换结果：

  image_size = 416
  person_bbox = [150 / 416, 225 / 416, 100 / 416, 150 / 416]  # x_center, y_center, w, h
  car_bbox = [300 / 416, 150 / 416, 100 / 416, 100 / 416]
  

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⚙️ Step 2: Anchor Box 分配（正样本划分）

YOLOv2 使用 K-Means 对 COCO 数据集中的真实框聚类得到的 5 个 anchors：

anchors = [(1.08, 1.19), (1.32, 3.19),(3.03, 4.34), (4.22, 2.81), (5.92, 5.53)]

🧠 正样本匹配逻辑如下：

对每个 ground truth 框，计算其与所有 anchor 的 IoU，并选择 IoU 最大的那个作为正样本 anchor。

from yolov2.utils import compute_iou, match_anchor_to_gtgt_boxes = [[0.36, 0.54, 0.24, 0.36],  # person[0.72, 0.36, 0.24, 0.24]]  # carpositive_anchors = match_anchor_to_gt(gt_boxes, anchors)

输出示例（简化表示）：

[{"anchor_idx": 0, "grid_cell": (18, 9)},   # person → anchor 0{"anchor_idx": 3, "grid_cell": (10, 5)}    # car → anchor 3
]

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⚙️ Step 3: 构建训练标签（Label Assignment）

YOLOv2 的输出是一个张量：

[batch_size, H, W, (B × (5 + C))]

其中：

• H × W = 13 × 13
• B = 5：每个位置预测的 bounding box 数量
• 5 + C：每个 bounding box 的参数（tx, ty, tw, th, confidence, class_probs）

🧪 示例标签构建：

label_tensor = np.zeros((13, 13, 5, 5 + 2))  # 2 类：person, car# 在 person 对应的 grid cell 和 anchor 上填充真实值
label_tensor[9, 18, 0, :4] = [0.36, 0.54, 0.24, 0.36]  # tx, ty, tw, th
label_tensor[9, 18, 0, 4] = 1.0  # confidence
label_tensor[9, 18, 0, 5] = 1.0  # person 类别置信度# 在 car 对应的 grid cell 和 anchor 上填充真实值
label_tensor[5, 10, 3, :4] = [0.72, 0.36, 0.24, 0.24]
label_tensor[5, 10, 3, 4] = 1.0
label_tensor[5, 10, 3, 6] = 1.0  # car 类别置信度

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⚙️ Step 4: 损失函数计算

YOLOv2 的损失函数延续了 YOLOv1 的设计，但加入了对 anchor boxes 的支持。

🧮 损失函数公式如下：

$$\begin{gathered} \mathcal{L}={\lambda }_{coord}\sum _{i=0}^{S^2}\sum _{j=0}^B{1}_{ij}^{\text{obj}}\left[(x_i-{\hat{x}}_i{)}^2+(y_i-{\hat{y}}_i{)}^2+(\sqrt{w_i}-\sqrt{{\hat{w}}_i}{)}^2+(\sqrt{h_i}-\sqrt{{\hat{h}}_i}{)}^2\right] \\ -\sum _{i=0}^{S^2}\sum _{j=0}^B{1}_{ij}^{\text{obj}}\log (C_i)-\sum _{i=0}^{S^2}(1-1_i^{\text{obj}})\log (1-C_i) \\ +{\lambda }_{cls}\sum _{i=0}^{S^2}{1}_i^{\text{obj}}\sum _{c\in \text{classes}}(p_i(c)-{\hat{p}}_i(c){)}^2 \end{gathered}$$

🧪 含义解释：

损失项	是否参与训练
定位损失	✅ 仅正样本参与
置信度损失	✅ 正样本 + 负样本
分类损失	✅ 仅正样本参与

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四、YOLOv2 的推理流程详解

⚙️ Step 1: 图像输入与预处理

image = cv2.imread("test.jpg")
resized_image = cv2.resize(image, (416, 416)) / 255.0  # 归一化
input_tensor = np.expand_dims(resized_image, axis=0)       # 添加 batch 维度

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⚙️ Step 2: 推理输出（来自 Darknet 或 PyTorch 模型）

模型输出一个张量：

output_tensor = model.predict(input_tensor)  # shape: [1, 13, 13, 125]

每个 bounding box 的输出格式为：

(tx, ty, tw, th, confidence, class_0, class_1)

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⚙️ Step 3: 解码 bounding box

使用以下公式将网络输出解码为图像空间中的绝对坐标：

$$\begin{gathered} b_x=\sigma (t_x)+c_x \\ {b}_y=\sigma (t_y)+c_y \\ {b}_w=p_w\cdot e^{t_w} \\ {b}_h=p_h\cdot e^{t_h} \end{gathered}$$

其中：

• $(c_x,c_y)$：当前 grid cell 左上角坐标（归一化后）
• $(p_w,p_h)$：对应 anchor 的宽高（归一化后）

🧪 示例解码代码（伪代码）：

def decode_box(output_tensor, anchors):bboxes = []for i in range(13):     # heightfor j in range(13):  # widthfor k in range(5):  # anchor indextx, ty, tw, th = output_tensor[i, j, k*25:(k+1)*25][:4]conf = output_tensor[i, j, k*25+4]class_probs = output_tensor[i, j, k*25+5:k*25+7]bx = sigmoid(tx) + j * strideby = sigmoid(ty) + i * stridebw = anchors[k][0] * exp(tw)bh = anchors[k][1] * exp(th)x1 = (bx - bw / 2) * image_sizey1 = (by - bh / 2) * image_sizex2 = (bx + bw / 2) * image_sizey2 = (by + bh / 2) * image_sizebboxes.append([x1, y1, x2, y2, conf, class_probs])return bboxes

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⚙️ Step 4: 执行 NMS（Non-Maximum Suppression）

🧮 计算综合得分：

$$\text{score}=\text{confidence}\times \max (\text{class\_probs})$$

🧪 示例执行 NMS（PyTorch）：

import torch
from torchvision.ops import nms# 假设 boxes 是 [N, 4]，scores 是 [N]
keep_indices = nms(boxes, scores, iou_threshold=0.5)final_boxes = boxes[keep_indices]
final_scores = scores[keep_indices]
final_labels = labels[keep_indices]

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五、YOLOv2 的完整训练与推理流程总结

阶段	内容
✅ 输入图像	416 × 416 × 3 RGB 图像
✅ 数据增强	随机缩放、翻转、颜色扰动等
✅ 正样本划分	anchor 与 GT IoU 最大者为正样本
✅ 输出结构	13 × 13 × (5 × (5 + C))
✅ 损失函数	MSE Loss + BCE Loss
✅ 推理输出	每个 bounding box 包含 (x1, y1, x2, y2, score, label)
✅ NMS	默认 greedynms，阈值 0.5
✅ 支持 Anchor	5 个 anchor boxes，K-Means 聚类获得

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六、YOLOv2 的关键配置文件片段（来自 .cfg 文件）

[region]
anchors = 1.08,1.19, 1.32,3.19, 3.03,4.34, 4.22,2.81, 5.92,5.53
bias_match=1
classes=2
coords=4
num=5
softmax=1
jitter=.3
rescore=1
iou_thresh=0.5

✅ 这些配置项在 AlexeyAB/darknet 中真实存在，影响 anchor 匹配、loss 计算、NMS 等流程。

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七、YOLOv2 的性能表现（来源：YOLO 官方文档）

模型	mAP@COCO	FPS（V100）	是否支持改进 IoU
YOLOv2	~76.8	~67	❌ 不支持（默认传统 IoU）
YOLOv2-tiny	~63.0	~150	❌ 不支持
YOLO9000	~76.8（部分类别）	~45	✅ 支持联合训练

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八、YOLOv2 的局限性（来自社区反馈）

局限性	说明
❌ 不支持 DIoU-NMS	需要自定义修改
❌ anchor 设置固定	新任务需重新聚类适配
❌ 输出结构固定	不适合直接部署 ONNX
❌ 小目标检测一般	相比 YOLOv3 仍有差距

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