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【YOLOV5-6.x 版本讲解】整体项目代码注释导航现在YOLOV5已经更新到6.X版本，现在网上很多还停留在5.X的源码注释上，因此特开一贴传承开源精神！5.X版本的可以看其他大佬的帖子本文章主要从6.X版本出发，主要解决6.X版本的项目注释与代码分析！......https://blog.csdn.net/qq_39237205/article/details/125729662

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祝福你朋友早日发表sci！

1 数据增强的作用

分割需要在像素级别进行标签标注
一些专业领域的图像标注，依赖于专业人士的知识素养
在数据集规模很小的情况，如何提高模型的表现力
迁移学习：使得具有大量标注数据的源域帮助提升模型的训练效果
数据增强学习到空间的不变形，像素级别的不变形特征都有限，利用平移，缩放，旋转，改变色调值等方法，让模型见过各种类型的数据，提高模型在测试数据上的判别力

2 YOLO数据增强的方法

2.1 rectangular

2.1.1 含义

同个batch里做rectangle宽高等比变换，加快训练，对于多余的黑边做到最小，实现降低计算量。

2.1.2 图解

2.1.3 代码

# 文件位置：utils/datasets.py
# 6、为Rectangular Training作准备：即减少大小不同图片处理时，对于多余的黑边做到最小，实现降低计算量# 这里主要是注意shapes的生成 这一步很重要 因为如果采样矩形训练那么整个batch的形状要一样 就要计算这个符合整个batch的shape# 而且还要对数据集按照高宽比进行排序 这样才能保证同一个batch的图片的形状差不多相同 再选择一个共同的shape代价也比较小if self.rect:#  所有训练图片的shapes = self.shapes  # wh# 计算高宽比ar = s[:, 1] / s[:, 0]  # aspect ratioirect = ar.argsort()    # 根据高宽比排序self.img_files = [self.img_files[i] for i in irect] # 获取排序后的img_filesself.label_files = [self.label_files[i] for i in irect]  # 获取排序后的label_filesself.labels = [self.labels[i] for i in irect]   # 获取排序后的labelsself.shapes = s[irect]   # 获取排序后的whar = ar[irect]   # 获取排序后的wh# 计算每个batch采用的统一尺度 Set training image shapesshapes = [[1, 1]] * nbfor i in range(nb):# 同一个batch的图片提取出来ari = ar[bi == i]mini, maxi = ari.min(), ari.max()   # 获取第i个batch中，最小和最大高宽比if maxi < 1:# [H,W]如果高/宽小于1(w > h)，宽大于高，矮胖型，(img_size*maxi,img_size)（保证原图像尺度不变进行缩放）shapes[i] = [maxi, 1]elif mini > 1:# [H,W]如果高/宽大于1(w < h)，宽小于高，瘦高型，(img_size,img_size *（1/mini）)（保证原图像尺度不变进行缩放）shapes[i] = [1, 1 / mini]# 计算每个batch输入网络的shape值(向上设置为32的整数倍)# 要求每个batch_shapes的高宽都是32的整数倍，所以要先除以32，取整再乘以32（不过img_size如果是32倍数这里就没必要了）self.batch_shapes = np.ceil(np.array(shapes) * img_size / stride + pad).astype(np.int) * stride

2.2 HSV变换

2.2.1 含义

HSV-Hue augmentation (fraction)，色调
HSV-Saturation augmentation (fraction)，饱和度
HSV-Value augmentation (fraction)，曝光度

2.2.2 图解效果

2.2.3 代码

# 调用函数的文件位置：文件位置：utils/datasets.py
# 色域空间增强Augment colorspace：H色调、S饱和度、V亮度
# 通过一些随机值改变hsv，实现数据增强
augment_hsv(img, hgain=hyp['hsv_h'], sgain=hyp['hsv_s'], vgain=hyp['hsv_v'])# 被调用的函数位置：utils/augmentations.py
def augment_hsv(im, hgain=0.5, sgain=0.5, vgain=0.5):# HSV color-space augmentationif hgain or sgain or vgain:r = np.random.uniform(-1, 1, 3) * [hgain, sgain, vgain] + 1  # random gainshue, sat, val = cv2.split(cv2.cvtColor(im, cv2.COLOR_BGR2HSV))dtype = im.dtype  # uint8x = np.arange(0, 256, dtype=r.dtype)lut_hue = ((x * r[0]) % 180).astype(dtype)lut_sat = np.clip(x * r[1], 0, 255).astype(dtype)lut_val = np.clip(x * r[2], 0, 255).astype(dtype)im_hsv = cv2.merge((cv2.LUT(hue, lut_hue), cv2.LUT(sat, lut_sat), cv2.LUT(val, lut_val)))cv2.cvtColor(im_hsv, cv2.COLOR_HSV2BGR, dst=im)  # no return needed

2.3 随机旋转、平移、缩放、裁剪，错切/非垂直投影、透视变换（从0开始）

2.3.1.1 旋转+缩放

分析：

src为左边图片，dst为右边旋转缩放变换后的图片， xy为横纵坐标， M为旋转缩放矩阵
旋转参数主要是M[0,1], M[1, 0]起作用, 且M[0,1], M[1, 0]互为相反数
缩放参数主要是M[0,0], M[1,1]起作用

2.3.1.2 平移

src为左边图片, dst为右边旋转缩放变换后的图片， xy为横纵坐标， M为平移矩阵
x轴平移参数主要是M[0,2]起作用
y轴平移参数主要是M[1,2]起作用

2.3.1.3 错切/非垂直投影

错切的类似于固定图片一边，对另外平行一边施加一个推力形成的变形
src为左边图片, dst为右边错切变换后的图片， xy为横纵坐标， M为错切矩阵
错切参数主要是M[0,1], M[1, 0]起作用

2.3.1.4 透视变换

src为左边图片, dst为右边透视变换后的图片， xy为横纵坐标， M为变换矩阵
变换参数主要是M[2,0], M[2,1]起作用

2.3.2 代码实现

# 调用函数地址：utils/datasets.py
# Augment# random_perspective Augment  随机透视变换 [1280, 1280, 3] => [640, 640, 3]# 对mosaic整合后的图片进行随机旋转、平移、缩放、裁剪，透视变换，并resize为输入大小img_size
img4, labels4 = random_perspective(img4, labels4, segments4,degrees=self.hyp['degrees'], # 旋转translate=self.hyp['translate'], # 平移scale=self.hyp['scale'], # 缩放shear=self.hyp['shear'], # 错切/非垂直投影perspective=self.hyp['perspective'], # 透视变换border=self.mosaic_border)  # border to remove# 被调用的函数地址：utils/augmentations.py
def random_perspective(im, targets=(), segments=(), degrees=10, translate=.1, scale=.1, shear=10, perspective=0.0,border=(0, 0)):# torchvision.transforms.RandomAffine(degrees=(-10, 10), translate=(0.1, 0.1), scale=(0.9, 1.1), shear=(-10, 10))# targets = [cls, xyxy]height = im.shape[0] + border[0] * 2  # shape(h,w,c)width = im.shape[1] + border[1] * 2# CenterC = np.eye(3)C[0, 2] = -im.shape[1] / 2  # x translation (pixels)C[1, 2] = -im.shape[0] / 2  # y translation (pixels)# Perspective # 透视变换P = np.eye(3)P[2, 0] = random.uniform(-perspective, perspective)  # x perspective (about y)P[2, 1] = random.uniform(-perspective, perspective)  # y perspective (about x)# Rotation and Scale 旋转+缩放R = np.eye(3)a = random.uniform(-degrees, degrees)# a += random.choice([-180, -90, 0, 90])  # add 90deg rotations to small rotationss = random.uniform(1 - scale, 1 + scale)# s = 2 ** random.uniform(-scale, scale)R[:2] = cv2.getRotationMatrix2D(angle=a, center=(0, 0), scale=s)# Shear 错切/非垂直投影S = np.eye(3)S[0, 1] = math.tan(random.uniform(-shear, shear) * math.pi / 180)  # x shear (deg)S[1, 0] = math.tan(random.uniform(-shear, shear) * math.pi / 180)  # y shear (deg)# Translation 平移T = np.eye(3)T[0, 2] = random.uniform(0.5 - translate, 0.5 + translate) * width  # x translation (pixels)T[1, 2] = random.uniform(0.5 - translate, 0.5 + translate) * height  # y translation (pixels)# Combined rotation matrix# 将所有变换矩阵连乘得到最终的变换矩阵M = T @ S @ R @ P @ C  # order of operations (right to left) is IMPORTANTif (border[0] != 0) or (border[1] != 0) or (M != np.eye(3)).any():  # image changedif perspective:im = cv2.warpPerspective(im, M, dsize=(width, height), borderValue=(114, 114, 114))else:  # affineim = cv2.warpAffine(im, M[:2], dsize=(width, height), borderValue=(114, 114, 114))# Visualize# import matplotlib.pyplot as plt# ax = plt.subplots(1, 2, figsize=(12, 6))[1].ravel()# ax[0].imshow(im[:, :, ::-1])  # base# ax[1].imshow(im2[:, :, ::-1])  # warped# Transform label coordinatesn = len(targets)if n:use_segments = any(x.any() for x in segments)new = np.zeros((n, 4))if use_segments:  # warp segmentssegments = resample_segments(segments)  # upsample# 其中 segment.shape = [n, 2], 表示物体轮廓各个坐标点for i, segment in enumerate(segments):xy = np.ones((len(segment), 3))xy[:, :2] = segmentxy = xy @ M.T  # transform 应用旋转矩阵xy = xy[:, :2] / xy[:, 2:3] if perspective else xy[:, :2]  # perspective rescale or affine# clipnew[i] = segment2box(xy, width, height)else:  # warp boxes 如果是box坐标, 这里targets每行为[x1,y1,x2,y2],n为行数,表示目标边框个数：xy = np.ones((n * 4, 3))xy[:, :2] = targets[:, [1, 2, 3, 4, 1, 4, 3, 2]].reshape(n * 4, 2)  # x1y1, x2y2, x1y2, x2y1xy = xy @ M.T  # transform 应用旋转矩阵# 如果透视变换参数perspective不为0， 就需要做rescale，透视变换参数为0, 则无需做rescale。xy = (xy[:, :2] / xy[:, 2:3] if perspective else xy[:, :2]).reshape(n, 8)  # perspective rescale or affine# create new boxesx = xy[:, [0, 2, 4, 6]]y = xy[:, [1, 3, 5, 7]]new = np.concatenate((x.min(1), y.min(1), x.max(1), y.max(1))).reshape(4, n).T# clip 将坐标clip到[0, width],[0,height]区间内new[:, [0, 2]] = new[:, [0, 2]].clip(0, width)new[:, [1, 3]] = new[:, [1, 3]].clip(0, height)# filter candidates 进一步过滤,留下那些w,h>2,宽高比<20,变换后面积比之前比>0.1的那些xyi = box_candidates(box1=targets[:, 1:5].T * s, box2=new.T, area_thr=0.01 if use_segments else 0.10)targets = targets[i]targets[:, 1:5] = new[i]return im, targets

2.3.3 代码逻辑描述

2.4 翻转

2.5 四图拼接

2.5.1 含义

初始化整个背景图, 大小为(2 × image_size, 2 × image_size, 3)
随机取一个中心点
基于中心点分别将4个图放到左上,右上,左下,右下,，此部分可能会由于中心点小于4张图片的宽高
所以拼接的时候可能会进行裁剪重新将打标边框的偏移量计算上

2.5.2 图解

2.5.3 需要裁剪

2.5.4 代码实现

 # 代码位置：utils/datasets.pydef load_mosaic(self, index):"""用在LoadImagesAndLabels模块的__getitem__函数 进行mosaic数据增强将四张图片拼接在一张马赛克图像中  loads images in a 4-mosaic:param index: 需要获取的图像索引:return: img4: mosaic和随机透视变换后的一张图片  numpy(640, 640, 3)labels4: img4对应的target  [M, cls+x1y1x2y2]"""# labels4: 用于存放拼接图像（4张图拼成一张）的label信息(不包含segments多边形)# segments4: 用于存放拼接图像（4张图拼成一张）的label信息(包含segments多边形)labels4, segments4 = [], []s = self.img_size # 一般的图片大小# 随机初始化拼接图像的中心点坐标  [0, s*2]之间随机取2个数作为拼接图像的中心坐标yc, xc = (int(random.uniform(-x, 2 * s + x)) for x in self.mosaic_border)  # mosaic center x, y# 从dataset中随机寻找额外的三张图像进行拼接 [14, 26, 2, 16] 再随机选三张图片的indexindices = [index] + random.choices(self.indices, k=3)  # 3 additional image indicesrandom.shuffle(indices)# 遍历四张图像进行拼接 4张不同大小的图像 => 1张[1472, 1472, 3]的图像for i, index in enumerate(indices):# load image   每次拿一张图片 并将这张图片resize到self.size(h,w)img, _, (h, w) = self.load_image(index)# place img in img4if i == 0:  # top left  原图[375, 500, 3] load_image->[552, 736, 3]   hwc# 创建马赛克图像 [1472, 1472, 3]=[h, w, c]img4 = np.full((s * 2, s * 2, img.shape[2]), 114, dtype=np.uint8)  # base image with 4 tiles# 计算马赛克图像中的坐标信息(将图像填充到马赛克图像中)   w=736  h = 552  马赛克图像：(x1a,y1a)左上角 (x2a,y2a)右下角x1a, y1a, x2a, y2a = max(xc - w, 0), max(yc - h, 0), xc, yc  # xmin, ymin, xmax, ymax (large image)# 计算截取的图像区域信息(以xc,yc为第一张图像的右下角坐标填充到马赛克图像中，丢弃越界的区域)  图像：(x1b,y1b)左上角 (x2b,y2b)右下角x1b, y1b, x2b, y2b = w - (x2a - x1a), h - (y2a - y1a), w, h  # xmin, ymin, xmax, ymax (small image)elif i == 1:  # top right# 计算马赛克图像中的坐标信息(将图像填充到马赛克图像中)x1a, y1a, x2a, y2a = xc, max(yc - h, 0), min(xc + w, s * 2), yc# 计算截取的图像区域信息(以xc,yc为第二张图像的左下角坐标填充到马赛克图像中，丢弃越界的区域)x1b, y1b, x2b, y2b = 0, h - (y2a - y1a), min(w, x2a - x1a), helif i == 2:  # bottom left# 计算马赛克图像中的坐标信息(将图像填充到马赛克图像中)x1a, y1a, x2a, y2a = max(xc - w, 0), yc, xc, min(s * 2, yc + h)# 计算截取的图像区域信息(以xc,yc为第三张图像的右上角坐标填充到马赛克图像中，丢弃越界的区域)x1b, y1b, x2b, y2b = w - (x2a - x1a), 0, w, min(y2a - y1a, h)elif i == 3:  # bottom right# 计算马赛克图像中的坐标信息(将图像填充到马赛克图像中)x1a, y1a, x2a, y2a = xc, yc, min(xc + w, s * 2), min(s * 2, yc + h)# 计算截取的图像区域信息(以xc,yc为第四张图像的左上角坐标填充到马赛克图像中，丢弃越界的区域)x1b, y1b, x2b, y2b = 0, 0, min(w, x2a - x1a), min(y2a - y1a, h)# 将截取的图像区域填充到马赛克图像的相应位置   img4[h, w, c]# 将图像img的【(x1b,y1b)左上角 (x2b,y2b)右下角】区域截取出来填充到马赛克图像的【(x1a,y1a)左上角 (x2a,y2a)右下角】区域img4[y1a:y2a, x1a:x2a] = img[y1b:y2b, x1b:x2b]  # img4[ymin:ymax, xmin:xmax]# 计算pad(当前图像边界与马赛克边界的距离，越界的情况padw/padh为负值)  用于后面的label映射padw = x1a - x1b    # 当前图像与马赛克图像在w维度上相差多少padh = y1a - y1b    # 当前图像与马赛克图像在h维度上相差多少# labels: 获取对应拼接图像的所有正常label信息(如果有segments多边形会被转化为矩形label)# segments: 获取对应拼接图像的所有不正常label信息(包含segments多边形也包含正常gt)# 在新图中更新坐标值labels, segments = self.labels[index].copy(), self.segments[index].copy()if labels.size:labels[:, 1:] = xywhn2xyxy(labels[:, 1:], w, h, padw, padh)  # normalized xywh to pixel xyxy formatsegments = [xyn2xy(x, w, h, padw, padh) for x in segments]labels4.append(labels) # 更新labels4segments4.extend(segments) # 更新segments4# Concat/clip labels4 把labels4（[(2, 5), (1, 5), (3, 5), (1, 5)] => (7, 5)）压缩到一起labels4 = np.concatenate(labels4, 0)# 防止越界  label[:, 1:]中的所有元素的值（位置信息）必须在[0, 2*s]之间,小于0就令其等于0,大于2*s就等于2*s   out: 返回for x in (labels4[:, 1:], *segments4):np.clip(x, 0, 2 * s, out=x)  # clip when using random_perspective()# img4, labels4 = replicate(img4, labels4)  # replicate

2.6 图像互相融合

2.6.1 含义

是简单地将两张图叠加到一起，通过不同的透明度进行区分。

2.6.2 图解

2.6.3 代码实现

# 调用函数地址：utils/datasets.py
if random.random() < hyp['mixup']: # hyp['mixup']=0 默认为0则关闭 默认为1则100%打开# *load_mosaic(self, random.randint(0, self.n - 1)) 随机从数据集中任选一张图片和本张图片进行mixup数据增强# img:   两张图片融合之后的图片 numpy (640, 640, 3)# labels: 两张图片融合之后的标签label [M+N, cls+x1y1x2y2]img, labels = mixup(img, labels, *self.load_mosaic(random.randint(0, self.n - 1)))# 被调用函数地址：utils/augmentations.py
def mixup(im, labels, im2, labels2):# Applies MixUp augmentation https://arxiv.org/pdf/1710.09412.pdfr = np.random.beta(32.0, 32.0)  # mixup ratio, alpha=beta=32.0im = (im * r + im2 * (1 - r)).astype(np.uint8)labels = np.concatenate((labels, labels2), 0)return im, labels

2.7 分割填补

2.7.1 含义

分割出图像的目标后，需要计算该目标边框与填补图片中的所有目标边框IOU<0.3(实现参数)

2.7.2 图解

2.7.3 代码

# 调用函数地址：utils/datasets.py
img4, labels4, segments4 = copy_paste(img4, labels4, segments4, p=self.hyp['copy_paste'])# 被调用函数地址：utils/augmentations.py
def copy_paste(im, labels, segments, p=0.5):# Implement Copy-Paste augmentation https://arxiv.org/abs/2012.07177, labels as nx5 np.array(cls, xyxy)n = len(segments)if p and n:h, w, c = im.shape  # height, width, channelsim_new = np.zeros(im.shape, np.uint8)for j in random.sample(range(n), k=round(p * n)):l, s = labels[j], segments[j]box = w - l[3], l[2], w - l[1], l[4]ioa = bbox_ioa(box, labels[:, 1:5])  # intersection over areaif (ioa < 0.30).all():  # allow 30% obscuration of existing labelslabels = np.concatenate((labels, [[l[0], *box]]), 0)segments.append(np.concatenate((w - s[:, 0:1], s[:, 1:2]), 1))cv2.drawContours(im_new, [segments[j].astype(np.int32)], -1, (255, 255, 255), cv2.FILLED)result = cv2.bitwise_and(src1=im, src2=im_new)result = cv2.flip(result, 1)  # augment segments (flip left-right)i = result > 0  # pixels to replace# i[:, :] = result.max(2).reshape(h, w, 1)  # act over chim[i] = result[i]  # cv2.imwrite('debug.jpg', im)  # debugreturn im, labels, segments