目标检测算法——YOLOv5/v7/v8改进结合涨点Trick之Wise-IoU（超越CIOU/SIOU）

超越CIOU/SIOU | Wise-IoU助力YOLO强势涨点！！！

论文题目：Wise-IoU: Bounding Box Regression Loss with Dynamic Focusing Mechanism

论文链接：https://arxiv.org/abs/2301.10051

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近年来的研究大多假设训练数据中的示例有较高的质量，致力于强化边界框损失的拟合能力。但注意到目标检测训练集中含有低质量示例，如果一味地强化边界框对低质量示例的回归，显然会危害模型检测性能的提升。

Focal-EIoU v1 被提出以解决这个问题，但由于其聚焦机制是静态的，并未充分挖掘非单调聚焦机制的潜能。基于这个观点，作者提出了动态非单调的聚焦机制，设计了 Wise-IoU (WIoU)。动态非单调聚焦机制使用“离群度”替代 IoU 对锚框进行质量评估，并提供了明智的梯度增益分配策略。该策略在降低高质量锚框的竞争力的同时，也减小了低质量示例产生的有害梯度。这使得 WIoU 可以聚焦于普通质量的锚框，并提高检测器的整体性能。将WIoU应用于最先进的单级检测器 YOLOv7 时，在 MS-COCO 数据集上的 AP-75 从 53.03% 提升到 54.50%。

一、 Wise-IoU相关代码

import math

import torch

class IoU_Cal:
    ''' pred, target: x0,y0,x1,y1
        monotonous: {
            None: origin
            True: monotonic FM
            False: non-monotonic FM
        }
        momentum: The momentum of running mean (This can be set by the function <momentum_estimation>)'''
    iou_mean = 1.
    monotonous = False
    momentum = 1 - pow(0.05, 1 / (890 * 34))
    _is_train = True

    @classmethod
    def momentum_estimation(cls, n, t):
        ''' n: Number of batches per training epoch
            t: The epoch when mAP's ascension slowed significantly'''
        time_to_real = n * t
        cls.momentum = 1 - pow(0.05, 1 / time_to_real)
        return cls.momentum

    def __init__(self, pred, target):
        self.pred, self.target = pred, target
        self._fget = {
            # x,y,w,h
            'pred_xy': lambda: (self.pred[..., :2] + self.pred[..., 2: 4]) / 2,
            'pred_wh': lambda: self.pred[..., 2: 4] - self.pred[..., :2],
            'target_xy': lambda: (self.target[..., :2] + self.target[..., 2: 4]) / 2,
            'target_wh': lambda: self.target[..., 2: 4] - self.target[..., :2],
            # x0,y0,x1,y1
            'min_coord': lambda: torch.minimum(self.pred[..., :4], self.target[..., :4]),
            'max_coord': lambda: torch.maximum(self.pred[..., :4], self.target[..., :4]),
            # The overlapping region
            'wh_inter': lambda: torch.relu(self.min_coord[..., 2: 4] - self.max_coord[..., :2]),
            's_inter': lambda: torch.prod(self.wh_inter, dim=-1),
            # The area covered
            's_union': lambda: torch.prod(self.pred_wh, dim=-1) +
                               torch.prod(self.target_wh, dim=-1) - self.s_inter,
            # The smallest enclosing box
            'wh_box': lambda: self.max_coord[..., 2: 4] - self.min_coord[..., :2],
            's_box': lambda: torch.prod(self.wh_box, dim=-1),
            'l2_box': lambda: torch.square(self.wh_box).sum(dim=-1),
            # The central points' connection of the bounding boxes
            'd_center': lambda: self.pred_xy - self.target_xy,
            'l2_center': lambda: torch.square(self.d_center).sum(dim=-1),
            # IoU
            'iou': lambda: 1 - self.s_inter / self.s_union
        }
        self._update(self)

    def __setitem__(self, key, value):
        self._fget[key] = value

    def __getattr__(self, item):
        if callable(self._fget[item]):
            self._fget[item] = self._fget[item]()
        return self._fget[item]

    @classmethod
    def train(cls):
        cls._is_train = True

    @classmethod
    def eval(cls):
        cls._is_train = False

    @classmethod
    def _update(cls, self):
        if cls._is_train: cls.iou_mean = (1 - cls.momentum) * cls.iou_mean + \
                                         cls.momentum * self.iou.detach().mean().item()

    def _scaled_loss(self, loss, alpha=1.9, delta=3):
        if isinstance(self.monotonous, bool):
            beta = self.iou.detach() / self.iou_mean
            if self.monotonous:
                loss *= beta.sqrt()
            else:
                divisor = delta * torch.pow(alpha, beta - delta)
                loss *= beta / divisor
        return loss

    @classmethod
    def IoU(cls, pred, target, self=None):
        self = self if self else cls(pred, target)
        return self.iou

    @classmethod
    def WIoU(cls, pred, target, self=None):
        self = self if self else cls(pred, target)
        dist = torch.exp(self.l2_center / self.l2_box.detach())
        return self._scaled_loss(dist * self.iou)

    @classmethod
    def EIoU(cls, pred, target, self=None):
        self = self if self else cls(pred, target)
        penalty = self.l2_center / self.l2_box.detach() \
                  + torch.square(self.d_center / self.wh_box).sum(dim=-1)
        return self._scaled_loss(self.iou + penalty)

    @classmethod
    def GIoU(cls, pred, target, self=None):
        self = self if self else cls(pred, target)
        return self._scaled_loss(self.iou + (self.s_box - self.s_union) / self.s_box)

    @classmethod
    def DIoU(cls, pred, target, self=None):
        self = self if self else cls(pred, target)
        return self._scaled_loss(self.iou + self.l2_center / self.l2_box)

    @classmethod
    def CIoU(cls, pred, target, eps=1e-4, self=None):
        self = self if self else cls(pred, target)
        v = 4 / math.pi ** 2 * \
            (torch.atan(self.pred_wh[..., 0] / (self.pred_wh[..., 1] + eps)) -
             torch.atan(self.target_wh[..., 0] / (self.target_wh[..., 1] + eps))) ** 2
        alpha = v / (self.iou + v)
        return self._scaled_loss(self.iou + self.l2_center / self.l2_box + alpha.detach() * v)

    @classmethod
    def SIoU(cls, pred, target, theta=4, self=None):
        self = self if self else cls(pred, target)
        # Angle Cost
        angle = torch.arcsin(torch.abs(self.d_center).min(dim=-1)[0] / (self.l2_center.sqrt() + 1e-4))
        angle = torch.sin(2 * angle) - 2
        # Dist Cost
        dist = angle[..., None] * torch.square(self.d_center / self.wh_box)
        dist = 2 - torch.exp(dist[..., 0]) - torch.exp(dist[..., 1])
        # Shape Cost
        d_shape = torch.abs(self.pred_wh - self.target_wh)
        big_shape = torch.maximum(self.pred_wh, self.target_wh)
        w_shape = 1 - torch.exp(- d_shape[..., 0] / big_shape[..., 0])
        h_shape = 1 - torch.exp(- d_shape[..., 1] / big_shape[..., 1])
        shape = w_shape ** theta + h_shape ** theta
        return self._scaled_loss(self.iou + (dist + shape) / 2)

二、实验对比结果

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✨【YOLO创新算法尝新系列】✨

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🚀一、主干网络改进（持续更新中）🎄🎈

1.目标检测算法——YOLOv5/YOLOv7改进之结合ConvNeXt结构（纯卷积|超越Swin）

2.目标检测算法——YOLOv5/YOLOv7改进之结合MobileOne结构（高性能骨干|仅需1ms）

3.目标检测算法——YOLOv5/YOLOv7改进之结合Swin Transformer V2（涨点神器）

4.目标检测算法——YOLOv5/YOLOv7改进结合BotNet（Transformer）

5.目标检测算法——YOLOv5/YOLOv7改进之GSConv+Slim Neck（优化成本）

6.目标检测算法——YOLOv5/YOLOv7改进结合新神经网络算子Involution（CVPR 2021）

7.目标检测算法——YOLOv7改进|增加小目标检测层

8.目标检测算法——YOLOv5改进|增加小目标检测层

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🚀二、轻量化网络（持续更新中）🎄🎈

1.目标检测算法——YOLOv5/YOLOv7改进之结合​RepVGG（速度飙升）

2.目标检测算法——YOLOv5/YOLOv7改进之结合​PP-LCNet（轻量级CPU网络）

3.目标检测算法——YOLOv5/YOLOv7改进之结合轻量化网络MobileNetV3（降参提速）

4.目标检测算法——YOLOv5/YOLOv7改进|结合轻量型网络ShuffleNetV2

5.目标检测算法——YOLOv5/YOLOv7改进结合轻量型Ghost模块

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🚀三、注意力机制（持续更新中）🎄🎈

1.目标检测算法——YOLOv5改进之结合CBAM注意力机制

2.目标检测算法——YOLOv7改进之结合CBAM注意力机制

3.目标检测算法——YOLOv5/YOLOv7之结合CA注意力机制

4.目标检测算法——YOLOv5/YOLOv7改进之结合ECA注意力机制

5.目标检测算法——YOLOv5/YOLOv7改进之结合NAMAttention（提升涨点）

6.目标检测算法——YOLOv5/YOLOv7改进之结合GAMAttention

7.目标检测算法——YOLOv5/YOLOv7改进之结合无参注意力SimAM（涨点神器）

8.目标检测算法——YOLOv5/YOLOv7改进之结合Criss-Cross Attention

9.​目标检测算法——YOLOv5/YOLOv7改进之结合​SOCA（单幅图像超分辨率）

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🚀四、检测头部改进（持续更新中）🎄🎈

1.魔改YOLOv5/v7高阶版（魔法搭配+创新组合）——改进之结合解耦头Decoupled_Detect

2.目标检测算法——YOLOv5/YOLOv7改进结合涨点Trick之ASFF（自适应空间特征融合）

🌴 持续更新中……

🚀五、空间金字塔池化（持续更新中）🎄🎈

1.目标检测算法——YOLOv5/YOLOv7改进之结合​ASPP（空洞空间卷积池化金字塔）

2.目标检测算法——YOLOv5/YOLOv7改进之结合特征提取网络RFBNet（涨点明显）

🌴 持续更新中……

🚀六、损失函数及NMS改进（持续更新中）🎄🎈

1.目标检测算法——YOLOv5/YOLOv7改进|将IOU Loss替换为EIOU Loss

2.目标检测算法——助力涨点 | YOLOv5改进结合Alpha-IoU

3.目标检测算法——YOLOv5/YOLOv7改进之结合SIoU

4.目标检测算法——YOLOv5将NMS替换为DIoU-NMS

🌴 持续更新中……

🚀七、其他创新改进项目（持续更新中）🎄🎈

1.手把手教你搭建属于自己的PyQt5-YOLOv5目标检测平台（保姆级教程）

2.YOLO算法改进之结合GradCAM可视化热力图（附详细教程）

3.目标检测算法——YOLOv5/YOLOv7改进之结合SPD-Conv（低分辨率图像和小目标涨点明显）

4.目标检测算法——YOLOv5/YOLOv7改进之更换FReLU激活函数

5.目标检测算法——YOLOv5/YOLOv7改进之结合BiFPN

🌴 持续更新中……

🚀八、算法训练相关项目（持续更新中）🎄🎈

1.目标检测算法——YOLOv7训练自己的数据集（保姆级教程）

2.人工智能前沿——玩转OpenAI语音机器人ChatGPT（中文版）

3.深度学习之语义分割算法（入门学习）

4.知识经验分享——YOLOv5-6.0训练出错及解决方法（RuntimeError）

5.目标检测算法——将xml格式转换为YOLOv5格式txt

6.目标检测算法——YOLOv5/YOLOv7如何改变bbox检测框的粗细大小

7.人工智能前沿——6款AI绘画生成工具

8.YOLOv5结合人体姿态估计

9.超越YOLOv5，0.7M超轻量，又好又快（PP-YOLOE&PP-PicoDet）

10.目标检测算法——收藏|小目标检测的定义（一）

11.目标检测算法——收藏|小目标检测难点分析（二）

12.目标检测算法——收藏|小目标检测解决方案（三）

🌴 持续更新中……

🚀九、数据资源相关项目（持续更新中）🎄🎈

1.目标检测算法——小目标检测相关数据集（附下载链接）

2.目标检测算法——3D公共数据集汇总（附下载链接）

3.目标检测算法——3D公共数据集汇总 2（附下载链接）

4.目标检测算法——行人检测&人群计数数据集汇总(附下载链接)

5.目标检测算法——遥感影像数据集资源汇总（附下载链接）

6.目标检测算法——自动驾驶开源数据集汇总（附下载链接）

7.目标检测算法——自动驾驶开源数据集汇总 2（附下载链接）

8.目标检测算法——图像分类开源数据集汇总（附下载链接）

9.目标检测算法——医学图像开源数据集汇总（附下载链接）

10.目标检测算法——工业缺陷数据集汇总1（附下载链接）

11.目标检测算法——工业缺陷数据集汇总2（附下载链接）

12.目标检测算法——垃圾分类数据集汇总（附下载链接）

13.目标检测算法——人脸识别数据集汇总（附下载链接）

14.目标检测算法——安全帽识别数据集（附下载链接）

15.目标检测算法——人体姿态估计数据集汇总（附下载链接）

16.目标检测算法——人体姿态估计数据集汇总 2（附下载链接）

17.目标检测算法——车辆牌照识别数据集汇总（附下载链接）

18.目标检测算法——车辆牌照识别数据集汇总 2（附下载链接）

19.收藏 | 机器学习公共数据集集锦（附下载链接）

20.目标检测算法——图像分割数据集汇总（附下载链接）

21.目标检测算法——图像分割数据集汇总 2（附下载链接）

22.收藏 | 自然语言处理（NLP）数据集汇总（附下载链接）

23.自然语言处理（NLP）数据集汇总 2（附下载链接）

24.自然语言处理（NLP）数据集汇总 3（附下载链接）

25.自然语言处理（NLP）数据集汇总 4（附下载链接）

26.目标检测算法——关键点检测数据集汇总（附下载链接）

27.目标检测算法——图像去雾开源数据集汇总（速速收藏）

🌴 持续更新中……

🚀十、论文投稿相关项目（持续更新中）🎄🎈

1.论文投稿指南——收藏|SCI论文投稿注意事项（提高命中率）

2.论文投稿指南——收藏|SCI论文怎么投？（Accepted）

3.论文投稿指南——收藏|SCI写作投稿发表全流程

4.论文投稿指南——收藏|如何选择SCI期刊（含选刊必备神器）

5.论文投稿指南——SCI选刊

6.论文投稿指南——SCI投稿各阶段邮件模板

7.人工智能前沿——深度学习热门领域（确定选题及研究方向）

8.人工智能前沿——2022年最流行的十大AI技术

9.人工智能前沿——未来AI技术的五大应用领域

10.人工智能前沿——无人自动驾驶技术

11.人工智能前沿——AI技术在医疗领域的应用

12.人工智能前沿——随需应变的未来大脑

13.目标检测算法——深度学习知识简要普及

14.目标检测算法——10种深度学习框架介绍

15.目标检测算法——为什么我选择PyTorch？

16.知识经验分享——超全激活函数解析（数学原理+优缺点）

17.知识经验分享——卷积神经网络（CNN）

18.海带软件分享——Office 2021全家桶安装教程（附报错解决方法）

19.海带软件分享——日常办公学习软件分享（收藏）

20.论文投稿指南——计算机视觉 (Computer Vision) 顶会归纳

21.论文投稿指南——中文核心期刊

22.论文投稿指南——计算机领域核心期刊

23.论文投稿指南——中文核心期刊推荐（计算机技术）

24.论文投稿指南——中文核心期刊推荐（计算机技术2）

25.论文投稿指南——中文核心期刊推荐（计算机技术3）

26.论文投稿指南——中文核心期刊推荐（电子、通信技术）

27.论文投稿指南——中文核心期刊推荐（电子、通信技术2）

28.论文投稿指南——中文核心期刊推荐（电子、通信技术3）

29.论文投稿指南——中文核心期刊推荐（机械、仪表工业）

30.论文投稿指南——中文核心期刊推荐（机械、仪表工业2）

31.论文投稿指南——中文核心期刊推荐（机械、仪表工业3）

32.论文投稿指南——中国（中文EI）期刊推荐（第1期）

33.论文投稿指南——中国（中文EI）期刊推荐（第2期）

34.论文投稿指南——中国（中文EI）期刊推荐（第3期）

35.论文投稿指南——中国（中文EI）期刊推荐（第4期）

36.论文投稿指南——中国（中文EI）期刊推荐（第5期）

37.论文投稿指南——中国（中文EI）期刊推荐（第6期）

38.论文投稿指南——中国（中文EI）期刊推荐（第7期）

39.论文投稿指南——中国（中文EI）期刊推荐（第8期）

40.【1】SCI易中期刊推荐——计算机方向（中科院3区）

41.【2】SCI易中期刊推荐——遥感图像领域（中科院2区）

42.【3】SCI易中期刊推荐——人工智能领域（中科院1区）

43.【4】SCI易中期刊推荐——神经科学研究（中科院4区）

44.【5】SCI易中期刊推荐——计算机科学（中科院2区）

45.【6】SCI易中期刊推荐——人工智能&神经科学&机器人学（中科院3区）

46.【7】SCI易中期刊推荐——计算机 | 人工智能（中科院4区）

47.【8】SCI易中期刊推荐——图像处理领域（中科院4区）

48.【9】SCI易中期刊推荐——工程技术-计算机：软件工程（中科院4区）

49.【10】SCI易中期刊推荐——工程技术-计算机：人工智能（中科院2区）

50.【11】SCI易中期刊推荐——计算机方向（中科院4区）

51.【12】SCI易中期刊推荐——计算机信息系统（中科院4区）

🌴 持续更新中……

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