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Como treinar YOLO com COCO JSON sem converter#

As anotações no formato COCO JSON podem ser usadas diretamente no treinamento de Ultralytics YOLO, sem convertê-las primeiro em arquivos .txt. Isso é feito criando uma subclasse de YOLODataset para analisar o COCO JSON em tempo real e conectá-la ao pipeline de treinamento por meio de um treinador personalizado.

Por que treinar diretamente com COCO JSON#

Esta abordagem mantém o JSON do COCO como a única fonte da verdade — sem chamada a convert_coco(), sem reorganização de diretórios e sem arquivos intermediários de rótulos. YOLO26 e todos os outros modelos de detecção YOLO da Ultralytics são compatíveis. Os modelos de segmentação e pose exigem campos de rótulo adicionais (consulte FAQ).

Procurando uma conversão única?

Consulte o guia de conversão de COCO para YOLO para ver o fluxo de trabalho padrão convert_coco().

Visão geral da arquitetura#

São necessárias duas classes:

  1. COCODataset — lê o JSON do COCO e converte caixas delimitadoras para o formato YOLO na memória durante o treinamento
  2. COCOTrainer — substitui build_dataset() para usar COCODataset em vez do YOLODataset padrão

A implementação é uma versão simplificada de GroundingDataset, que também lê as anotações JSON diretamente. Aqui, três métodos são substituídos — get_img_files(), cache_labels() e get_labels() — enquanto GroundingDataset substitui mais métodos, incluindo as próprias verificações de hash do cache e de contagem de instâncias.

Criando a classe de conjunto de dados COCO JSON#

A classe COCODataset herda de YOLODataset e substitui a lógica de carregamento dos rótulos. Em vez de ler arquivos .txt de um diretório de rótulos, ela abre o arquivo JSON do COCO, percorre as anotações agrupadas por imagem e converte cada caixa delimitadora do formato de pixels COCO [x_min, y_min, width, height] para o formato YOLO normalizado com centro [x_center, y_center, width, height]. As anotações de multidão (iscrowd: 1) e as caixas com área zero são ignoradas automaticamente.

O método get_img_files() retorna uma lista vazia porque os caminhos das imagens são resolvidos a partir do campo JSON file_name dentro de cache_labels(). Os IDs das categorias são ordenados e remapeados para índices de classe começando em zero, permitindo que esquemas de IDs iniciados em 1 (padrão COCO) e esquemas de IDs não contíguos funcionem corretamente.

import json
from collections import defaultdict
from pathlib import Path

import numpy as np

from ultralytics.data.dataset import DATASET_CACHE_VERSION, YOLODataset
from ultralytics.data.utils import get_hash, load_dataset_cache_file, save_dataset_cache_file
from ultralytics.utils import TQDM

class COCODataset(YOLODataset):
    """Dataset that reads COCO JSON annotations directly without conversion to .txt files."""

    def __init__(self, *args, json_file="", **kwargs):
        """Initialize the dataset with a COCO JSON annotation file."""
        self.json_file = json_file
        super().__init__(*args, data={"channels": 3}, **kwargs)

    def get_img_files(self, img_path):
        """Image paths are resolved from the JSON file, not from scanning a directory."""
        self.fraction = 1.0  # fraction is applied while scanning a directory, which this dataset skips
        return []

    def cache_labels(self, path=Path("./labels.cache")):
        """Parse COCO JSON and convert annotations to YOLO format. Results are saved to a .cache file."""
        x = {"labels": []}
        with open(self.json_file) as f:
            coco = json.load(f)

        # Sort categories by ID and map to 0-indexed classes
        categories = {cat["id"]: i for i, cat in enumerate(sorted(coco["categories"], key=lambda c: c["id"]))}

        img_to_anns = defaultdict(list)
        for ann in coco["annotations"]:
            img_to_anns[ann["image_id"]].append(ann)

        for img_info in TQDM(coco["images"], desc="reading annotations"):
            h, w = img_info["height"], img_info["width"]
            im_file = Path(self.img_path) / img_info["file_name"]
            if not im_file.exists():
                continue

            self.im_files.append(str(im_file))
            bboxes = []
            for ann in img_to_anns.get(img_info["id"], []):
                if ann.get("iscrowd", False):
                    continue
                # COCO: [x, y, w, h] top-left in pixels -> YOLO: [cx, cy, w, h] center normalized
                box = np.array(ann["bbox"], dtype=np.float32)
                box[:2] += box[2:] / 2  # top-left to center
                box[[0, 2]] /= w  # normalize x
                box[[1, 3]] /= h  # normalize y
                if box[2] <= 0 or box[3] <= 0:
                    continue
                cls = categories[ann["category_id"]]
                bboxes.append([cls, *box.tolist()])

            lb = np.array(bboxes, dtype=np.float32) if bboxes else np.zeros((0, 5), dtype=np.float32)
            x["labels"].append(
                {
                    "im_file": str(im_file),
                    "shape": (h, w),
                    "cls": lb[:, 0:1],
                    "bboxes": lb[:, 1:],
                    "segments": [],
                    "normalized": True,
                    "bbox_format": "xywh",
                }
            )
        if not x["labels"]:
            raise RuntimeError(f"No images listed in {self.json_file} were found in {self.img_path}")
        x["hash"] = get_hash([self.json_file, str(self.img_path)])
        save_dataset_cache_file(self.prefix, path, x, DATASET_CACHE_VERSION)
        return x

    def get_labels(self):
        """Load labels from .cache file if available, otherwise parse JSON and create the cache."""
        cache_path = Path(self.json_file).with_suffix(".cache")
        try:
            cache = load_dataset_cache_file(cache_path)
            assert cache["version"] == DATASET_CACHE_VERSION
            assert cache["hash"] == get_hash([self.json_file, str(self.img_path)])
            self.im_files = [lb["im_file"] for lb in cache["labels"]]
        except (FileNotFoundError, AssertionError, AttributeError, KeyError, ModuleNotFoundError):
            cache = self.cache_labels(cache_path)
        cache.pop("hash", None)
        cache.pop("version", None)
        return cache["labels"]

Os rótulos analisados são salvos em um arquivo .cache ao lado do JSON (por exemplo, instances_train.cache). Nas execuções de treinamento seguintes, o cache é carregado diretamente, sem analisar o JSON novamente.

A chave do cache é o tamanho do arquivo JSON, não seu conteúdo

get_hash() calcula o hash dos tamanhos e caminhos dos arquivos, não do conteúdo dos arquivos. Portanto, uma nova execução só analisa o JSON novamente quando a contagem de bytes do JSON muda. Adicionar ou remover imagens também pode alterar o tamanho do próprio diretório de imagens e acionar uma recriação, mas não conte com isso — o hash nunca inspeciona arquivos de imagem individuais, então trocar uma imagem por outra pode manter o tamanho inalterado. Uma edição que preserve a contagem de bytes — ajustar uma coordenada, inverter iscrowd ou trocar dois nomes de classe com o mesmo comprimento — mantém o cache desatualizado e treina com as anotações antigas, sem aviso. Pelo mesmo motivo, substituir uma imagem no mesmo local não é detectado. Exclua o arquivo .cache depois de editar anotações ou imagens no mesmo local.

Conectando o conjunto de dados ao pipeline de treinamento#

A única alteração necessária no treinador é substituir build_dataset(). O DetectionTrainer padrão cria um YOLODataset que procura arquivos de rótulos .txt. Ao substituí-lo por COCODataset, o treinador passa a ler do JSON do COCO.

O caminho do arquivo JSON vem de um campo personalizado train_json / val_json na configuração dos dados (consulte Configurando dataset.yaml). Durante o treinamento, mode="train" é resolvido como train_json; durante a validação, mode="val" é resolvido como val_json. As duas chaves são obrigatórias — as duas divisões leem diretórios de imagens diferentes, então o JSON de treinamento não pode substituir um val_json ausente.

O conjunto de dados também redefine fraction para 1.0. BaseDataset aplica esse argumento ao percorrer um diretório de imagens, uma etapa ignorada por COCODataset; por isso, não consegue respeitar uma solicitação de subconjunto do conjunto de dados. Redefini-lo impede que o conjunto de dados pareça aceitar um valor que ignora. O GroundingDataset integrado faz a mesma concessão pelo mesmo motivo.

from ultralytics.models.yolo.detect import DetectionTrainer
from ultralytics.utils import colorstr

class COCOTrainer(DetectionTrainer):
    """Trainer that uses COCODataset for direct COCO JSON training."""

    def build_dataset(self, img_path, mode="train", batch=None):
        """Build a COCODataset for the given split using the JSON file from the data config."""
        json_file = self.data["train_json"] if mode == "train" else self.data["val_json"]
        return COCODataset(
            img_path=img_path,
            json_file=json_file,
            imgsz=self.args.imgsz,
            batch_size=batch,
            augment=mode == "train",
            hyp=self.args,
            rect=self.args.rect or mode == "val",
            cache=self.args.cache or None,
            single_cls=self.args.single_cls or False,
            stride=int(self.model.stride.max()) if hasattr(self, "model") and self.model else 32,
            pad=0.0 if mode == "train" else 0.5,
            prefix=colorstr(f"{mode}: "),
            task=self.args.task,
            classes=self.args.classes,
            fraction=self.args.fraction if mode == "train" else 1.0,
        )

Configurando dataset.yaml para COCO JSON#

dataset.yaml usa os campos padrão path, train e val para localizar diretórios de imagens. Observe que path aponta para a raiz das imagens aqui, então train e val são nomes de divisão sem prefixo — ao contrário do guia de conversão, em que path é a raiz do conjunto de dados e as divisões têm o prefixo images/. Dois campos adicionais, train_json e val_json, especificam os arquivos de anotação COCO que COCOTrainer lê. O campo names lista os nomes das classes na ordem ordenada de categories no JSON, e a quantidade de classes é derivada dessa lista; portanto, não é necessário definir nc.

path: /path/to/my_dataset/images # root with train/ and val/ image subfolders
train: train
val: val

# COCO JSON annotation files (use absolute paths; these custom keys are not resolved against `path`)
train_json: /path/to/my_dataset/annotations/instances_train.json
val_json: /path/to/my_dataset/annotations/instances_val.json

names:
    0: person
    1: bicycle
    # ... remaining class names

Estrutura de diretórios esperada:

my_dataset/
  images/
    train/
      img_001.jpg
      ...
    val/
      img_100.jpg
      ...
  annotations/
    instances_train.json
    instances_val.json
  dataset.yaml

Executando o treinamento com COCO JSON#

Com a classe do conjunto de dados, a classe do treinador e a configuração YAML prontas, o treinamento funciona com a chamada padrão model.train(). A única diferença em relação a uma execução de treinamento normal é o argumento trainer=COCOTrainer, que instrui a Ultralytics a usar o carregador personalizado do conjunto de dados em vez do padrão.

from ultralytics import YOLO

model = YOLO("yolo26n.pt")
model.train(data="dataset.yaml", epochs=100, imgsz=640, trainer=COCOTrainer)

O pipeline completo de treinamento funciona como esperado, incluindo validação durante o treinamento, salvamento de pontos de verificação e registro de métricas.

`model.val()` executado de forma independente precisa de uma substituição própria

Apenas a validação durante o treinamento passa por COCOTrainer.build_dataset. Uma chamada separada a model.val() cria o YOLODataset padrão, que procura rótulos .txt ao lado das imagens e não encontra nenhum. A chamada não gera um erro: as imagens são contabilizadas como fundos, então a validação é concluída e informa todas as métricas como 0, com os avisos No labels found in ... e no labels found in detect set, cannot compute metrics without labels. Para validar fora de uma execução de treinamento, crie uma subclasse do validador com a mesma substituição build_dataset e passe-a para model.val(validator=...).

Implementação completa#

Para facilitar, a implementação completa é apresentada abaixo em um único script pronto para copiar e colar. Ela inclui o conjunto de dados personalizado, o treinador personalizado e a chamada de treinamento. Salve o script ao lado do seu dataset.yaml e execute-o diretamente.

import json
from collections import defaultdict
from pathlib import Path

import numpy as np

from ultralytics import YOLO
from ultralytics.data.dataset import DATASET_CACHE_VERSION, YOLODataset
from ultralytics.data.utils import get_hash, load_dataset_cache_file, save_dataset_cache_file
from ultralytics.models.yolo.detect import DetectionTrainer
from ultralytics.utils import TQDM, colorstr

class COCODataset(YOLODataset):
    """Dataset that reads COCO JSON annotations directly without conversion to .txt files."""

    def __init__(self, *args, json_file="", **kwargs):
        """Initialize the dataset with a COCO JSON annotation file."""
        self.json_file = json_file
        super().__init__(*args, data={"channels": 3}, **kwargs)

    def get_img_files(self, img_path):
        """Image paths are resolved from the JSON file, not from scanning a directory."""
        self.fraction = 1.0  # fraction is applied while scanning a directory, which this dataset skips
        return []

    def cache_labels(self, path=Path("./labels.cache")):
        """Parse COCO JSON and convert annotations to YOLO format. Results are saved to a .cache file."""
        x = {"labels": []}
        with open(self.json_file) as f:
            coco = json.load(f)

        categories = {cat["id"]: i for i, cat in enumerate(sorted(coco["categories"], key=lambda c: c["id"]))}

        img_to_anns = defaultdict(list)
        for ann in coco["annotations"]:
            img_to_anns[ann["image_id"]].append(ann)

        for img_info in TQDM(coco["images"], desc="reading annotations"):
            h, w = img_info["height"], img_info["width"]
            im_file = Path(self.img_path) / img_info["file_name"]
            if not im_file.exists():
                continue

            self.im_files.append(str(im_file))
            bboxes = []
            for ann in img_to_anns.get(img_info["id"], []):
                if ann.get("iscrowd", False):
                    continue
                box = np.array(ann["bbox"], dtype=np.float32)
                box[:2] += box[2:] / 2
                box[[0, 2]] /= w
                box[[1, 3]] /= h
                if box[2] <= 0 or box[3] <= 0:
                    continue
                cls = categories[ann["category_id"]]
                bboxes.append([cls, *box.tolist()])

            lb = np.array(bboxes, dtype=np.float32) if bboxes else np.zeros((0, 5), dtype=np.float32)
            x["labels"].append(
                {
                    "im_file": str(im_file),
                    "shape": (h, w),
                    "cls": lb[:, 0:1],
                    "bboxes": lb[:, 1:],
                    "segments": [],
                    "normalized": True,
                    "bbox_format": "xywh",
                }
            )
        if not x["labels"]:
            raise RuntimeError(f"No images listed in {self.json_file} were found in {self.img_path}")
        x["hash"] = get_hash([self.json_file, str(self.img_path)])
        save_dataset_cache_file(self.prefix, path, x, DATASET_CACHE_VERSION)
        return x

    def get_labels(self):
        """Load labels from .cache file if available, otherwise parse JSON and create the cache."""
        cache_path = Path(self.json_file).with_suffix(".cache")
        try:
            cache = load_dataset_cache_file(cache_path)
            assert cache["version"] == DATASET_CACHE_VERSION
            assert cache["hash"] == get_hash([self.json_file, str(self.img_path)])
            self.im_files = [lb["im_file"] for lb in cache["labels"]]
        except (FileNotFoundError, AssertionError, AttributeError, KeyError, ModuleNotFoundError):
            cache = self.cache_labels(cache_path)
        cache.pop("hash", None)
        cache.pop("version", None)
        return cache["labels"]

class COCOTrainer(DetectionTrainer):
    """Trainer that uses COCODataset for direct COCO JSON training."""

    def build_dataset(self, img_path, mode="train", batch=None):
        """Build a COCODataset for the given split using the JSON file from the data config."""
        json_file = self.data["train_json"] if mode == "train" else self.data["val_json"]
        return COCODataset(
            img_path=img_path,
            json_file=json_file,
            imgsz=self.args.imgsz,
            batch_size=batch,
            augment=mode == "train",
            hyp=self.args,
            rect=self.args.rect or mode == "val",
            cache=self.args.cache or None,
            single_cls=self.args.single_cls or False,
            stride=int(self.model.stride.max()) if hasattr(self, "model") and self.model else 32,
            pad=0.0 if mode == "train" else 0.5,
            prefix=colorstr(f"{mode}: "),
            task=self.args.task,
            classes=self.args.classes,
            fraction=self.args.fraction if mode == "train" else 1.0,
        )

model = YOLO("yolo26n.pt")
model.train(data="dataset.yaml", epochs=100, imgsz=640, trainer=COCOTrainer)

Agora você tem um conjunto de dados e um treinador mínimos para treinar a Ultralytics YOLO diretamente com COCO JSON, mantendo as anotações como única fonte da verdade e sem arquivos intermediários .txt. Amplie o método cache_labels() com segments ou keypoints para incluir segmentação e pose, e consulte o guia Dicas para treinamento de modelos para ver recomendações de ajuste de hiperparâmetros.

Perguntas frequentes#

  • convert_coco() grava arquivos de rótulos .txt no disco como uma conversão única. Esta abordagem analisa o JSON no início de cada execução de treinamento e converte as anotações na memória. Use convert_coco() quando preferir rótulos permanentes no formato YOLO; use esta abordagem para manter o JSON do COCO como única fonte da verdade sem gerar arquivos adicionais.

  • Não com o pipeline atual da Ultralytics, que espera rótulos YOLO .txt por padrão. Este guia fornece o código personalizado mínimo necessário — uma classe de conjunto de dados e uma classe de treinador. Depois de defini-las, o treinamento requer apenas uma chamada padrão model.train().

  • Este guia aborda a detecção de objetos. Para adicionar suporte à segmentação de instâncias, inclua os dados de polígonos segmentation das anotações COCO no campo segments de cada dicionário de rótulos. Para a estimativa de pose, inclua keypoints. O código-fonte de GroundingDataset fornece uma implementação de referência para lidar com segmentos.

  • Sim. COCODataset estende YOLODataset, então todas as aumentações de dados integradas — mosaico, mixup, CutMix e outras — funcionam sem modificações.

  • As categorias são ordenadas por id e mapeadas para índices sequenciais começando em 0. Isso funciona com IDs iniciados em 1 (padrão COCO), IDs iniciados em 0 e IDs não contíguos. O dicionário names em dataset.yaml deve seguir a mesma ordem da matriz COCO categories.

  • O JSON do COCO é analisado uma vez na primeira execução do treinamento. Os rótulos analisados são salvos em um arquivo .cache, então as execuções seguintes carregam os dados instantaneamente, sem analisar o JSON novamente. A velocidade do treinamento é idêntica à do treinamento YOLO padrão, pois as anotações ficam na memória. O cache usa como chave o tamanho do arquivo JSON; por isso, exclua o arquivo .cache após qualquer edição que mantenha o mesmo tamanho do arquivo.

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