分类：

即是将图像结构化为某一类别的信息，用事先确定好的类别(category)或实例ID来描述图片。这一任务是最简单、最基础的图像理解任务，也是深度学习模型最先取得突破和实现大规模应用的任务。其中，ImageNet是最权威的评测集，每年的ILSVRC催生了大量的优秀深度网络结构，为其他任务提供了基础。在应用领域，人脸、场景的识别等都可以归为分类任务。

检测：

分类任务关心整体，给出的是整张图片的内容描述，而检测则关注特定的物体目标，要求同时获得这一目标的类别信息和位置信息（classification + localization）。相比分类，检测给出的是对图片前景和背景的理解，我们需要从背景中分离出感兴趣的目标，并确定这一目标的描述（类别和位置），因此检测模型的输出是一个列表，列表的每一项使用一个数组给出检出目标的类别和位置（常用矩形检测框的坐标表示）。

先来回顾下分类原理，这是一个常见的CNN组成图，输入一张图片，经过其中的卷积、激活、池化相关层，最后加入全连接层达到分类概率的效果。

目标定位的简单实现：
在分类的时候我们直接输出各个类别的概率，如果再加上定位的话，我们可以考虑在网络的最后输出加上位置信息。
回归位置：
增加一个全连接层，即为FC1、FC2
1）FC1：作为类别的输出
2）FC2：作为整个物体位置数值的输出

分割：

分割包括语义分割（semantic segmentation）和实例分割（instance segmentation），前者是对前背景分离的拓展，要求分离开具有不同语义的图像部分，而后者是检测任务的拓展，要求描述出目标的轮廓（相比检测框更为精细）。分割是对图像的像素级描述，它赋予每个像素类别（实例）意义，适用于理解要求较高的场景，如无人驾驶中对道路和非道路的分割。　

目标检测的基本思路：

同时解决定位（localization） + 识别（Recognition）。 

多任务学习，带有两个输出分支。一个分支用于做图像分类，即全连接+softmax判断目标类别，和单纯图像分类区别在于这里还另外需要一个“背景”类。另一个分支用于判断目标位置，即完成回归任务输出四个数字标记包围盒位置(例如中心点横纵坐标和包围盒长宽)，该分支输出结果只有在分类分支判断不为“背景”时才使用。详细结构如下图所示：

什么是位置（位置的定义）：

目标检测的位置信息一般有2种格式（以图片左上角为原点（0,0））：

极坐标表示：（xmin，ymin，xmax，ymax）
xmin，ymin：x，y坐标的最小值
xmax，ymax：x，y坐标的最大值

中心点坐标：（x_center，y_center，w，h）
x_center，y_center：目标检测框的中心点坐标
w，h：目标检测框的宽，高

传统目标检测（缺点、弊端）

1）基于滑动窗口的区域选择策略没有针对性，时间复杂度高，窗口冗余

2）手工设计的特征对于多样性的变化没有很好的鲁棒性

传统的目标检测框架，主要包括三个步骤：

（1）利用不同尺寸的滑动窗口框住图中的某一部分作为候选区域；
（2）提取候选区域相关的视觉特征。比如人脸检测常用的Harr特征；行人检测和普通目标检测常用的HOG特征等；
（3）利用分类器进行识别，比如常用的SVM模型。

目前目标检测领域的深度学习方法主要分为两类：两阶段（Two Stages）的目标检测算法；一阶段（One Stage）目标检测算法。

两阶段（Two Stages）：首先由算法（algorithm）生成一系列作为样本的候选框，再通过卷积神经网络进行样本（Sample）分类。

阶段（One Stage ）：不需要产生候选框，直接将目标框定位的问题转化为回归（Regression）问题处理(Process)。

基于候选区域（Region Proposal）的，如R-CNN、SPP-net、Fast R-CNN、Faster R-CNN、R-FCN；

基于端到端（End-to-End），无需候选区域（Region Proposal）的，如YOLO、SSD。

对于上述两种方式，基于候选区域（Region Proposal）的方法在检测准确率和定位精度上占优，基于端到端（End-to-End）的算法速度占优。相对于R-CNN系列的“看两眼”（候选框提取和分类），YOLO只需要“看一眼”。总之，目前来说，基于候选区域（Region Proposal）的方法依然占据上风，但端到端的方法速度上优势明显，至于后续的发展让我们拭目以待。

目标检测的候选框是如何产生的？

如今深度学习发展如日中天，RCNN/SPP-Net/Fast-RCNN等文章都会谈及候选边界框（Bounding boxes）的生成与筛选策略。那么候选框是如何产生的？又是如何进行筛选的呢？其实物体候选框获取当前主要使用图像分割与区域生长技术。区域生长(合并)主要由于检测图像中存在的物体具有局部区域相似性(颜色、纹理等)。目标识别与图像分割技术的发展进一步推动有效提取图像中信息。

根据目标候选区域的提取方式不同，传统目标检测算法可以分为基于滑动窗口的目标检测算法和基于选择性搜索的目标检测算法。滑窗法（Sliding Window）作为一种经典的物体检测方法，个人认为不同大小的窗口在图像上进行滑动时候，进行卷积运算后的结果与已经训练好的分类器判别存在物体的概率。选择性搜索(Selective Search)是主要运用图像分割技术来进行物体检测。

(1) 滑动窗口（Sliding Window）

采用滑动窗口的目标检测算法思路非常简单，它将检测问题转化为了图像分类问题。其基本原理就是采用不同大小和比例（宽高比）的窗口在整张图片上以一定的步长进行滑动，然后对这些窗口对应的区域做图像分类，这样就可以实现对整张图片的检测了。但是这个方法有致命的缺点，就是你并不知道要检测的目标大小是什么规模，所以你要设置不同大小和比例的窗口去滑动，而且还要选取合适的步长。但是这样会产生很多的子区域，并且都要经过分类器去做预测，这需要很大的计算量，所以你的分类器不能太复杂，因为要保证速度。

通过滑窗法流程图分析具体步骤：首先对输入图像进行不同窗口大小的滑窗进行从左往右、从上到下的滑动。每次滑动时候对当前窗口执行分类器(分类器是事先训练好的)。如果当前窗口得到较高的分类概率，则认为检测到了物体。对每个不同窗口大小的滑窗都进行检测后，会得到不同窗口检测到的物体标记，这些窗口大小会存在重复较高的部分，最后采用非极大值抑制(Non-Maximum Suppression, NMS)的方法进行筛选。最终，经过NMS筛选后获得检测到的物体。

滑窗法简单易于理解，但是不同窗口大小进行图像全局搜索导致效率低下，而且设计窗口大小时候还需要考虑物体的长宽比。所以，对于实时性要求较高的分类器，不推荐使用滑窗法。

(2) 选择性搜索(Selective Search)

滑窗法类似穷举进行图像子区域搜索，但是一般情况下图像中大部分子区域是没有物体的。学者们自然而然想到只对图像中最有可能包含物体的区域进行搜索以此来提高计算效率。选择搜索方法是当下最为熟知的图像bouding boxes提取算法，其目标检测的流程图如下图所示。

选择搜索算法的主要观点：图像中物体可能存在的区域应该是有某些相似性或者连续性区域的。因此，选择搜索基于上面这一想法采用子区域合并的方法进行提取候选边界框（bounding boxes）。首先，对输入图像进行分割算法产生许多小的子区域(大约2000个子区域)。其次，根据这些子区域之间相似性(相似性标准主要有颜色、纹理、大小等等)进行区域合并，不断的进行区域迭代合并。每次迭代过程中对这些合并的子区域做外切矩形（bounding boxes），这些子区域外切矩形就是通常所说的候选框。

选择搜索优点： 
　　　　（a）计算效率优于滑窗法。 
　　　　（b）由于采用子区域合并策略，所以可以包含各种大小的疑似物体框。 
　　　　（c）合并区域相似的指标多样性，提高了检测物体的概率。

(3) 什么是NMS—非极大值抑制（Non-Maximun Suppression）？

学习R-CNN算法必然要了解一个重要的概念——非极大值抑制（NMS）。比如，我们会从一张图片中找出N多个可能包含物体的Bounding-box，然后为每个矩形框计算其所属类别的概率。

正如上面的图片所示，假如我们想定位一个车辆，最后算法就找出了一堆的方框，每个方框都对应一个属于汽车类别的概率。我们需要判别哪些矩形框是没用的。采用的方法是非极大值抑制：先假设有6个矩形框，根据分类器类别分类概率做排序，从小到大分别属于车辆的概率分别为A、B、C、D、E、F。

(1)从最大概率矩形框F开始，分别判断A~E与F的重叠度IOU是否大于某个设定的阈值;

(2)假设B、D与F的重叠度超过阈值，那么就扔掉B、D；并标记第一个矩形框F，是我们保留下来的。

(3)从剩下的矩形框A、C、E中，选择概率最大的E，然后判断E与A、C的重叠度，重叠度大于一定的阈值，那么就扔掉；并标记E是我们保留下来的第二个矩形框。

如此循环往复知道没有剩余的矩形框，然后找到所有被保留下来的矩形框，就是我们认为最可能包含汽车的矩形框。

YOLOv8 目标检测中的 Anchor-Free 机制

锚框（Anchor）

Anchor 指有固定中心位置和大小（通常由宽度和高度决定）的框。Anchor 思想最早在论文 Faster R-CNN: Towards Real-Time Object Detection with Region Proposal Networks 

 （2015.06，Microsoft） 中提出。在此之前，目标检测算法通常使用滑动窗口或 Selective Search 等方法来生成候选区域。而 Faster R-CNN 中的 RPN（Region Proposal Network）网络通过引入 Anchor 机制，解决了目标检测算法中目标大小和长宽比的变化问题。

Faster R-CNN 中的 Anchor 设计如下：

注意锚框和 GT 框的区别：

1. 锚框是机器学习过程中模型预测（或者预设）的，而 GT 框是指人工标记的图片框。
2. 锚框是基于特征图，而 GT 框基于图片的像素（当然两者可以非常粗略地对应上，但表示的含义是不一样的）。

通常在训练过程中，通过和 GT 框的比对，把锚框定义为正样本和负样本（详见后面的标签分配章节）。

Anchor-Based 和 Anchor-Free

Two-stage（两阶段）指目标检测过程分成两个主要步骤：

1. 生成候选区域（Region Proposals），来确定图像中可能包含对象的区域。
2. 对第 1 阶段生成的候选区域进行分类和边界框细化。

Anchor-based（基于锚框）指在目标检测中使用一组预定义的、不同尺寸和比例的候选区域（anchors），用于引导检测模型学习到真实的对象边界框。

Anchor-Free 并不是没有使用锚点，而是指无先验锚框，直接通过预测具体的点得到锚框。Anchor-Free 不需要手动设计 anchor（长宽比、尺度大小、anchor的数量），从而避免了针对不同数据集进行繁琐的设计。

正样本和负样本

正样本（positive sample）和负样本（negative sample）是用于训练分类模型的两种基本类型的数据点。

在目标检测中，正样本是指锚框中恰当地包含我们希望检测的目标对象的样本。例如，在行人检测任务中，如果锚框中确实有行人，且框大小合适，那么这个框就是一个正样本。负样本指锚框中可能没有目标检测对象，或者框大小不合适。

在目标检测任务中，负样本的引入也是至关重要的。在真实世界的图像中，目标往往只占图像的一小部分区域，而大部分区域都是背景（即负样本）。如果模型仅使用正样本来训练，它可能会过度拟合到这些有限的目标样本，而无法正确地区分目标和背景。通过引入负样本，模型能够学习到目标的边界，并理解哪些区域不包含目标。

通常，目标检测任务使用锚点（anchor boxes）而不是直接使用真实目标（ground truth boxes，人工标记的物体框选）作为正负样本，有几个重要原因：

1. 正负样本平衡：直接使用真实目标作为目标值可能导致训练过程中的样本不平衡问题，因为背景区域通常远多于目标区域。通过使用锚点，可以更有效地分配正样本（匹配真实目标的锚点）和负样本（不匹配任何真实目标的锚点），从而帮助模型更好地学习。
2. 泛化能力：如果直接使用真实目标作为目标值，模型可能过于依赖于训练数据中的具体实例，从而降低其泛化到新数据的能力。使用锚点可以帮助模型学习到更一般化的目标表示。
3. 边界框回归：在训练过程中，模型需要学习如何调整预测的边界框以更好地匹配真实目标。如果直接使用真实目标作为目标值，模型将无法学习到如何进行这种调整。锚点提供了一个起点，模型可以学习从这个起点调整边界框以适应真实目标。

任务对齐（Task Alignment）

目标检测旨在从自然图像中定位和识别感兴趣的对象，它通常被表述为一个多任务学习问题，通过同时优化对象分类和定位来实现。分类任务旨在学习对象的关键区分性特征，而定位任务则致力于精确定位整个对象及其边界。由于分类和定位任务的学习机制存在差异，这两个任务所学到的特征的空间分布可能不同，当使用两个独立分支进行预测时，可能会导致一定程度的错位。

YOLOv8 目标检测的 Anchor 处理

训练阶段的主要处理逻辑如下：

1. 在 Head 部分（参考 YOLOv8 架构图），会输出三个特征图（以 YOLOv8 L 为例，特征图大小分别为：80 x 80 x 256，40 x 40 x 512，1. 20 x 20 x 512）。
2. 每个特征图上的每个点，会定义为 1 个锚框（anchor），模型的输出预测值中包括每个锚框的分类和定位信息。
3. 标签分配算法：根据人工标记的 GT，将每个 anchor 对应为正、负样本。
4. 依据损失函数，计算正、负样本的损失，反向传播更新网络参数。

尽管 YOLOv8 在检测（推理）阶段被归类为无锚点模型，因为它不依赖于预定义的锚框。

1. 在训练阶段，它仍然使用了锚点的概念。这些“锚点”作为边界框的尺度和长宽比的初始估计或参考。在训练过程中，模型根据训练图像中对象的真实边界框来调整和优化这些估计。
2. 在检测阶段，模型并不严格依赖预定义的锚框来提出候选对象位置，最终的对象检测是直接基于检测到的特征进行的，因此 YOLOv8 被归类为无锚点（anchor-free）模型。

YOLOv8 将输入图像分割成单元格网格，其中每个单元格负责预测位于其中的对象。对于每个单元格，YOLOv8 预测对象得分（objectness scores）、类别概率（class probabilities）和几何偏移量（geometrical offsets），以便估计对象的边界框。

预测框的设计及损失函数（DFL）

YOLOv8详解:损失函数、Anchor-Free、样本分配策略；以及与v5的对比_yolov8的损失函数为什么大于1-CSDN博客

参考链接：

目标检测从入门到精通—概述（一） - 我的明天不是梦 - 博客园 (cnblogs.com)

【目标检测】方法概述_如何判断检测到目标物的方法-CSDN博客

YOLOv8 目标检测中的 Anchor-Free 机制：图示 + 代码 (vectorexplore.com)