YOLOv8改进，添加GSConv+Slim Neck，有效提升目标检测效果，代码改进（超详细）

摘要

主要想法

GSConv

GSConv代码实现

slim-neck

slim-neck代码实现

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总结

摘要

目标检测是计算机视觉中重要的下游任务。对于车载边缘计算平台来说，巨大的模型很难达到实时检测的要求。而且，由大量深度可分离卷积层构建的轻量级模型无法达到足够的精度。我们引入了一种新的轻量级卷积技术 GSConv，以减轻模型重量但保持准确性。 GSConv 在模型的准确性和速度之间实现了出色的权衡。并且，我们提供了一种设计范例，细颈，以实现探测器更高的计算成本效益。我们的方法的有效性在二十多组比较实验中得到了强有力的证明。特别是，与原始检测器相比，通过我们的方法改进的检测器获得了最先进的结果（例如，在公开数据集的Tesla T4 GPU 上以100FPS 的速度获得 70.9% mAP0.5）。

主要想法

生物大脑处理信息的强大能力和低能耗远远超出了计算机。简单地无休止地增加模型参数的数量并不能建立强大的模型。轻量化设计可以有效缓解现阶段高昂的计算成本。这个目的主要是通过深度可分离卷积（DSC）运算来减少参数量和浮点运算（FLOP）来实现的，效果很明显。然而DSC的缺点也很明显：在计算过程中输入图像的通道信息被分离。这一缺陷导致 DSC 的特征提取和融合能力比标准卷积 (SC) 低得多。

SC（左）和 DSC（右）的计算过程。 SC是通道密集卷积计算，DSC是通道稀疏卷积计算。

GSConv

尽管DSC有一定的优点，但DSC 的缺陷在主干中直接被放大，无论是用于图像分类还是检测。我们相信SC和DSC可以合作。我们注意到，仅通过混洗 DSC 输出通道生成的特征图仍然是“深度分离”。为了使DSC的输出尽可能接近SC，我们引入了一种新方法——SC、DSC和shuffle的混合卷积，命名为GSConv。如图所示，我们使用shuffle将SC（通道密集卷积运算）生成的信息渗透到DSC生成的信息的每个部分中。shuffle是一种统一的混合策略。该方法通过在不同通道上统一交换局部特征信息，可以将来自 SC 的信息完全混合到 DSC 的输出中，而无需任何附加功能。

GSConv代码实现

import torch
import torch.nn as nn
import math


# GSConvE test
class GSConvE(nn.Module):
    '''
    GSConv enhancement for representation learning: generate various receptive-fields and
    texture-features only in one Conv module
    https://github.com/AlanLi1997/slim-neck-by-gsconv
    '''
    def __init__(self, c1, c2, k=1, s=1, g=1, act=True):
        super().__init__()
        c_ = c2 // 4
        self.cv1 = Conv(c1, c_, k, s, None, g, act)
        self.cv2 = Conv(c_, c_, 9, 1, None, c_, act)
        self.cv3 = Conv(c_, c_, 13, 1, None, c_, act)
        self.cv4 = Conv(c_, c_, 17, 1, None, c_, act)

    def forward(self, x):
        x1 = self.cv1(x)
        x2 = self.cv2(x1)
        x3 = self.cv3(x1)
        x4 = self.cv4(x1)

        y = torch.cat((x1, x2, x3, x4), dim=1)
        # shuffle
        y = y.reshape(y.shape[0], 2, y.shape[1] // 2, y.shape[2], y.shape[3])
        y = y.permute(0, 2, 1, 3, 4)
        return y.reshape(y.shape[0], -1, y.shape[3], y.shape[4])


def autopad(k, p=None):  # kernel, padding
    # Pad to 'same'
    if p is None:
        p = k // 2 if isinstance(k, int) else [x // 2 for x in k]  # auto-pad
    return p


class Conv(nn.Module):
    # C_B_M
    def __init__(self, c1, c2, k=1, s=1, p=None, g=1, act=True):
        super().__init__()
        self.conv = nn.Conv2d(c1, c2, k, s, autopad(k, p), groups=g, bias=False)
        self.bn = nn.BatchNorm2d(c2)
        self.act = nn.Mish() if act else (act if isinstance(act, nn.Module) else nn.Identity())

    def forward(self, x):
        return self.act(self.bn(self.conv(x)))

    def forward_fuse(self, x):
        return self.act(self.conv(x))


class GSConv(nn.Module):
    # GSConv https://github.com/AlanLi1997/slim-neck-by-gsconv
    def __init__(self, c1, c2, k=1, s=1, g=1, act=True):
        super().__init__()
        c_ = c2 // 2
        self.cv1 = Conv(c1, c_, k, s, None, g, act)
        self.cv2 = Conv(c_, c_, 5, 1, None, c_, act)

    def forward(self, x):
        x1 = self.cv1(x)
        x2 = torch.cat((x1, self.cv2(x1)), 1)
        # shuffle
        y = x2.reshape(x2.shape[0], 2, x2.shape[1] // 2, x2.shape[2], x2.shape[3])
        y = y.permute(0, 2, 1, 3, 4)
        return y.reshape(y.shape[0], -1, y.shape[3], y.shape[4])


class GSConvns(GSConv):
    # GSConv with a normative-shuffle https://github.com/AlanLi1997/slim-neck-by-gsconv
    def __init__(self, c1, c2, k=1, s=1, g=1, act=True):
        super().__init__(c1, c2, k=1, s=1, g=1, act=True)
        c_ = c2 // 2
        self.shuf = nn.Conv2d(c_ * 2, c2, 1, 1, 0, bias=False)

    def forward(self, x):
        x1 = self.cv1(x)
        x2 = torch.cat((x1, self.cv2(x1)), 1)
        # normative-shuffle, TRT supported
        return nn.ReLU(self.shuf(x2))


class GSBottleneck(nn.Module):
    # GS Bottleneck https://github.com/AlanLi1997/slim-neck-by-gsconv
    def __init__(self, c1, c2, k=3, s=1):
        super().__init__()
        c_ = c2 // 2
        # for lighting
        self.conv_lighting = nn.Sequential(
            GSConv(c1, c_, 1, 1),
            GSConv(c_, c2, 3, 1, act=False))
        self.shortcut = Conv(c1, c2, 1, 1, act=False)

    def forward(self, x):
        return self.conv_lighting(x) + self.shortcut(x)


class DWConv(Conv):
    # Depth-wise convolution class
    def __init__(self, c1, c2, k=1, s=1, act=True):  # ch_in, ch_out, kernel, stride, padding, groups
        super().__init__(c1, c2, k, s, g=math.gcd(c1, c2), act=act)


class GSBottleneckC(GSBottleneck):
    # cheap GS Bottleneck https://github.com/AlanLi1997/slim-neck-by-gsconv
    def __init__(self, c1, c2, k=3, s=1):
        super().__init__(c1, c2, k, s)
        self.shortcut = DWConv(c1, c2, 3, 1, act=False)


class VoVGSCSP(nn.Module):
    # VoVGSCSP module with GSBottleneck
    def __init__(self, c1, c2, n=1, shortcut=True, g=1, e=0.5):
        super().__init__()
        c_ = int(c2 * e)  # hidden channels
        self.cv1 = Conv(c1, c_, 1, 1)
        self.cv2 = Conv(c1, c_, 1, 1)
        # self.gc1 = GSConv(c_, c_, 1, 1)
        # self.gc2 = GSConv(c_, c_, 1, 1)
        self.gsb = GSBottleneck(c_, c_, 1, 1)
        self.res = Conv(c_, c_, 3, 1, act=False)
        self.cv3 = Conv(2*c_, c2, 1)  #

    def forward(self, x):

        x1 = self.gsb(self.cv1(x))
        y = self.cv2(x)
        return self.cv3(torch.cat((y, x1), dim=1))

slim-neck

此外，还研究了增强 CNN 学习能力的通用方法，例如 DensNet 、VoVNet 和 CSPNet ，然后根据这些方法的理论设计 slim-neck 的结构。我们设计了细长的颈部，以降低检测器的计算复杂性和推理时间，但保持精度。 GSConv完成了降低计算复杂度的任务，而减少推理时间并保持精度的任务需要新的模型。

GSConv的计算成本约为SC的50%（0.5+0.5C1，C1值越大，比例越接近50%），但其对模型学习能力的贡献与后者相当。基于GSConv，我们在GSConv的基础上继续引入GS瓶颈，下图（a）展示了GS瓶颈模块的结构。然后，我们使用一次性聚合方法设计跨阶段部分网络（GSCSP）模块VoV-GSCSP。图（b）（c）和（d）分别显示了我们为VoV-GSCSP提供的三种设计方案，其中（b）简单直接且推理速度更快，（c）和（d）具有功能的重用率更高。事实上，结构越简单的模块由于硬件友好而更容易被使用。下表也详细报告了VoV-GSCSP1、2、3三种结构的消融研究结果，事实上，VoVGSCSP1表现出更高的性价比。最后，我们需要灵活地使用 GSConv、GS 瓶颈和 VoV-GSCSP 这四个模块。

(a) GS瓶颈模块和(b)、(c)、(d) VoV-GSCSP1、2、3模块的结构

slim-neck代码实现

class VoVGSCSPC(VoVGSCSP):
    # cheap VoVGSCSP module with GSBottleneck
    def __init__(self, c1, c2, n=1, shortcut=True, g=1, e=0.5):
        super().__init__(c1, c2, e)
        c_ = int(c2 * e)  # hidden channels
        self.gsb = GSBottleneckC(c_, c_, 3, 1)

代码都添加在common.py中

yaml文件

# YOLOv5 🚀 by Ultralytics, GPL-3.0 license
# Slim-neck by GSConv: A better design paradigm of detector architectures for autonomous vehicle
# Parameters
nc: 80  # number of classes
depth_multiple: 0.33  # model depth multiple
width_multiple: 0.25  # layer channel multiple
anchors:
  - [10,13, 16,30, 33,23]  # P3/8
  - [30,61, 62,45, 59,119]  # P4/16
  - [116,90, 156,198, 373,326]  # P5/32

# YOLOv5 v6.0 backbone
backbone:
  # [from, number, module, args]
  [[-1, 1, Conv, [64, 6, 2, 2]],  # 0-P1/2
   [-1, 1, Conv, [128, 3, 2]],  # 1-P2/4
   [-1, 3, C3, [128]],
   [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]],  # 3-P3/8
   [-1, 6, C3, [256]],
   [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]],  # 5-P4/16
   [-1, 9, C3, [512]],
   [-1, 1, Conv, [1024, 3, 2]],  # 7-P5/32
   [-1, 3, C3, [1024]],
   [-1, 1, SPPF, [1024, 5]],  # 9
  ]

# YOLOv5 v6.0 head
head:
  [[-1, 1, GSConv, [512, 1, 1]],
   [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']],
   [[-1, 6], 1, Concat, [1]],  # cat backbone P4
   [-1, 3, VoVGSCSP, [512, False]],  # 13

   [-1, 1, GSConv, [256, 1, 1]],
   [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']],
   [[-1, 4], 1, Concat, [1]],  # cat backbone P3
   [-1, 3, VoVGSCSP, [256, False]],  # 17 (P3/8-small)

   [-1, 1, GSConv, [256, 3, 2]],
   [[-1, 14], 1, Concat, [1]],  # cat head P4
   [-1, 3, VoVGSCSP, [512, False]],  # 20 (P4/16-medium)

   [-1, 1, GSConv, [512, 3, 2]],
   [[-1, 10], 1, Concat, [1]],  # cat head P5
   [-1, 3, VoVGSCSP, [1024, False]],  # 23 (P5/32-large)

   [[17, 20, 23], 1, Detect, [nc, anchors]],  # Detect(P3, P4, P5)
  ]