YOLOv8改进 | 独家创新篇 | 利用MobileNetV4的UIB模块二次创新C2f（全网独家首发）

一、本文介绍

本文给大家带来的改进机制是利用MobileNetV4的UIB模块二次创新C2f，其中UIB模块来自2024.5月发布的MobileNetV4网络，其是一种高度优化的神经网络架构，专为移动设备设计。它最新的改动总结主要有两点，采用了通用反向瓶颈（UIB，也就是本文利用的结构）和针对移动加速器优化的Mobile MQA注意力模块（一种全新的注意力机制）。我将其用于C2f的二次创新在V8n上参数量为220W（下降约一百万），计算量为6.2GFLOPs，非常适用于想要轻量化网络模型的读者来使用，同时本文结构为本专栏独家创新。

欢迎大家订阅我的专栏一起学习YOLO！

一、本文介绍

二、原理介绍

三、核心代码

四、添加教程

4.1 修改一

4.2 修改二

4.3 修改三

4.4 修改四

五、C2fUIB的yaml文件和运行记录

5.1 C2fUIB的yaml文件1

5.2 训练代码

5.3 C2fUIB的训练过程截图

五、本文总结

二、原理介绍

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MobileNetV4是MobileNet系列的最新版本，专为移动设备设计，引入了多种新颖且高效的架构组件。其中最关键的是通用反转瓶颈（UIB），它结合了以前模型如MobileNetV2的反转瓶颈和新元素，例如ConvNext块和视觉变换器（ViT）中的前馈网络。这种结构允许在不过度复杂化架构搜索过程的情况下，适应性地并有效地扩展模型到各种平台。

此外，MobileNetV4还包括一种名为Mobile MQA的新型注意力机制，该机制通过优化算术运算与内存访问的比率，显著提高了移动加速器上的推理速度，这是移动性能的关键因素。该架构通过精细的神经网络架构搜索（NAS）和新颖的蒸馏技术进一步优化，使得MobileNetV4能够在多种硬件平台上达到最优性能，包括移动CPU、DSP、GPU和特定的加速器，如Apple的Neural Engine和Google的Pixel EdgeTPU。

此外，MobileNetV4还引入了改进的NAS策略，通过粗粒度和细粒度搜索相结合的方法，显著提高搜索效率并改善模型质量。通过这种方法，MobileNetV4能够实现大多数情况下的Pareto最优性能，这意味着在不同设备上都能达到效率和准确性的最佳平衡。

最后，通过一种新的蒸馏技术，MobileNetV4进一步提高了准确性，其混合型大模型在ImageNet-1K数据集上达到了87%的顶级准确率，同时在Pixel 8 EdgeTPU上的运行时间仅为3.8毫秒。这些特性使MobileNetV4成为适用于移动环境中高效视觉任务的理想选择。

主要思想提取和总结：

1. 通用反转瓶颈（UIB），本文利用的机制:

MobileNetV4引入了一种名为通用反转瓶颈（UIB）的新架构组件。UIB是一个灵活的架构单元，融合了反转瓶颈（IB）、ConvNext、前馈网络（FFN），以及新颖的额外深度（ExtraDW）变体。

2. Mobile MQA注意力机制:

为了优化移动加速器的性能，MobileNetV4设计了一个特殊的注意力模块，名为Mobile MQA。这一模块针对移动设备的计算和存储限制进行了优化，提供了高达39%的推理速度提升。

3. 优化的神经架构搜索（NAS）配方:

通过改进的NAS配方，MobileNetV4能够更高效地搜索和优化网络架构，这有助于发现适合特定硬件的最优模型配置。

4. 模型蒸馏技术:

引入了一种新的蒸馏技术，用以提高模型的准确性。通过这种技术，MNv4-Hybrid-Large模型在ImageNet-1K上达到了87%的准确率，并且在Pixel 8 EdgeTPU上的运行时间仅为3.8毫秒。

个人总结：MobileNetV4是一个专为移动设备设计的高效深度学习模型。它通过整合多种先进技术，如通用反转瓶颈（UIB）、针对移动设备优化的注意力机制（Mobile MQA），以及先进的架构搜索方法（NAS），实现了在不同硬件上的高效运行。这些技术的融合不仅大幅提升了模型的运行速度，还显著提高了准确率。特别是，它的一个变体模型在标准图像识别测试中取得了87%的准确率，运行速度极快。

三、核心代码

核心代码的使用方式看章节四！

import torch.nn as nn
from typing import Optional
import torch

__all__ = ['C2f_UIB']


def make_divisible(
        value: float,
        divisor: int,
        min_value: Optional[float] = None,
        round_down_protect: bool = True,
) -> int:
    """
    This function is copied from here
    "https://github.com/tensorflow/models/blob/master/official/vision/modeling/layers/nn_layers.py"

    This is to ensure that all layers have channels that are divisible by 8.

    Args:
        value: A `float` of original value.
        divisor: An `int` of the divisor that need to be checked upon.
        min_value: A `float` of  minimum value threshold.
        round_down_protect: A `bool` indicating whether round down more than 10%
        will be allowed.

    Returns:
        The adjusted value in `int` that is divisible against divisor.
    """
    if min_value is None:
        min_value = divisor
    new_value = max(min_value, int(value + divisor / 2) // divisor * divisor)
    # Make sure that round down does not go down by more than 10%.
    if round_down_protect and new_value < 0.9 * value:
        new_value += divisor
    return int(new_value)

def conv_2d(inp, oup, kernel_size=3, stride=1, groups=1, bias=False, norm=True, act=True):
    conv = nn.Sequential()
    padding = (kernel_size - 1) // 2
    conv.add_module('conv', nn.Conv2d(inp, oup, kernel_size, stride, padding, bias=bias, groups=groups))
    if norm:
        conv.add_module('BatchNorm2d', nn.BatchNorm2d(oup))
    if act:
        conv.add_module('Activation', nn.ReLU6())
    return conv

class UniversalInvertedBottleneckBlock(nn.Module):
    def __init__(self,
                 inp,
                 oup,
                 start_dw_kernel_size=3,
                 middle_dw_kernel_size=3,
                 middle_dw_downsample=1,
                 stride=1,
                 expand_ratio=1
                 ):
        """An inverted bottleneck block with optional depthwises.
        Referenced from here https://github.com/tensorflow/models/blob/master/official/vision/modeling/layers/nn_blocks.py
        """
        super().__init__()
        # Starting depthwise conv.
        self.start_dw_kernel_size = start_dw_kernel_size
        if self.start_dw_kernel_size:
            stride_ = stride if not middle_dw_downsample else 1
            self._start_dw_ = conv_2d(inp, inp, kernel_size=start_dw_kernel_size, stride=stride_, groups=inp, act=False)
        # Expansion with 1x1 convs.
        expand_filters = make_divisible(inp * expand_ratio, 8)
        self._expand_conv = conv_2d(inp, expand_filters, kernel_size=1)
        # Middle depthwise conv.
        self.middle_dw_kernel_size = middle_dw_kernel_size
        if self.middle_dw_kernel_size:
            stride_ = stride if middle_dw_downsample else 1
            self._middle_dw = conv_2d(expand_filters, expand_filters, kernel_size=middle_dw_kernel_size, stride=stride_,
                                      groups=expand_filters)
        # Projection with 1x1 convs.
        self._proj_conv = conv_2d(expand_filters, oup, kernel_size=1, stride=1, act=False)

        # Ending depthwise conv.
        # this not used
        # _end_dw_kernel_size = 0
        # self._end_dw = conv_2d(oup, oup, kernel_size=_end_dw_kernel_size, stride=stride, groups=inp, act=False)

    def forward(self, x):
        if self.start_dw_kernel_size:
            x = self._start_dw_(x)
            # print("_start_dw_", x.shape)
        x = self._expand_conv(x)
        # print("_expand_conv", x.shape)
        if self.middle_dw_kernel_size:
            x = self._middle_dw(x)
            # print("_middle_dw", x.shape)
        x = self._proj_conv(x)
        # print("_proj_conv", x.shape)
        return x


def autopad(k, p=None, d=1):  # kernel, padding, dilation
    """Pad to 'same' shape outputs."""
    if d > 1:
        k = d * (k - 1) + 1 if isinstance(k, int) else [d * (x - 1) + 1 for x in k]  # actual kernel-size
    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):
    """Standard convolution with args(ch_in, ch_out, kernel, stride, padding, groups, dilation, activation)."""
    default_act = nn.SiLU()  # default activation

    def __init__(self, c1, c2, k=1, s=1, p=None, g=1, d=1, act=True):
        """Initialize Conv layer with given arguments including activation."""
        super().__init__()
        self.conv = nn.Conv2d(c1, c2, k, s, autopad(k, p, d), groups=g, dilation=d, bias=False)
        self.bn = nn.BatchNorm2d(c2)
        self.act = self.default_act if act is True else act if isinstance(act, nn.Module) else nn.Identity()

    def forward(self, x):
        """Apply convolution, batch normalization and activation to input tensor."""
        return self.act(self.bn(self.conv(x)))

    def forward_fuse(self, x):
        """Perform transposed convolution of 2D data."""
        return self.act(self.conv(x))




class C2f_UIB(nn.Module):
    """Faster Implementation of CSP Bottleneck with 2 convolutions."""
    def __init__(self, c1, c2, n=1, shortcut=False, g=1, e=0.5):
        """Initialize CSP bottleneck layer with two convolutions with arguments ch_in, ch_out, number, shortcut, groups,
        expansion.
        """
        super().__init__()
        self.c = int(c2 * e)  # hidden channels
        self.cv1 = Conv(c1, 2 * self.c, 1, 1)
        self.cv2 = Conv((2 + n) * self.c, c2, 1)  # optional act=FReLU(c2)
        self.m = nn.ModuleList(UniversalInvertedBottleneckBlock(self.c, self.c) for _ in range(n))

    def forward(self, x):
        """Forward pass through C2f layer."""
        x = self.cv1(x)
        x = x.chunk(2, 1)
        y = list(x)
        # y = list(self.cv1(x).chunk(2, 1))
        y.extend(m(y[-1]) for m in self.m)
        return self.cv2(torch.cat(y, 1))

    def forward_split(self, x):
        """Forward pass using split() instead of chunk()."""
        y = list(self.cv1(x).split((self.c, self.c), 1))
        y.extend(m(y[-1]) for m in self.m)
        return self.cv2(torch.cat(y, 1))


if __name__ == '__main__':
    x = torch.randn(1, 32, 16, 16)
    model = C2f_UIB(32, 32)
    print(model(x).shape)

四、添加教程

4.1 修改一

第一还是建立文件，我们找到如下ultralytics/nn文件夹下建立一个目录名字呢就是'Addmodules'文件夹(用群内的文件的话已经有了无需新建)！然后在其内部建立一个新的py文件将核心代码复制粘贴进去即可。

4.2 修改二

第二步我们在该目录下创建一个新的py文件名字为'__init__.py'(用群内的文件的话已经有了无需新建)，然后在其内部导入我们的检测头如下图所示。

4.3 修改三

第三步我门中到如下文件'ultralytics/nn/tasks.py'进行导入和注册我们的模块(用群内的文件的话已经有了无需重新导入直接开始第四步即可)！

从今天开始以后的教程就都统一成这个样子了，因为我默认大家用了我群内的文件来进行修改！！

4.4 修改四

按照我的添加在parse_model里添加即可。

到此就修改完成了，大家可以复制下面的yaml文件运行。

五、C2fUIB的yaml文件和运行记录

5.1 C2fUIB的yaml文件1

主干和Neck全部用上该卷积轻量化到机制的yaml文件。

# Ultralytics YOLO 🚀, AGPL-3.0 license
# YOLOv8 object detection model with P3-P5 outputs. For Usage examples see https://docs.ultralytics.com/tasks/detect

# Parameters
nc: 80  # number of classes
scales: # model compound scaling constants, i.e. 'model=yolov8n.yaml' will call yolov8.yaml with scale 'n'
  # [depth, width, max_channels]
  n: [0.33, 0.25, 1024]  # YOLOv8n summary: 225 layers,  3157200 parameters,  3157184 gradients,   8.9 GFLOPs
  s: [0.33, 0.50, 1024]  # YOLOv8s summary: 225 layers, 11166560 parameters, 11166544 gradients,  28.8 GFLOPs
  m: [0.67, 0.75, 768]   # YOLOv8m summary: 295 layers, 25902640 parameters, 25902624 gradients,  79.3 GFLOPs
  l: [1.00, 1.00, 512]   # YOLOv8l summary: 365 layers, 43691520 parameters, 43691504 gradients, 165.7 GFLOPs
  x: [1.00, 1.25, 512]   # YOLOv8x summary: 365 layers, 68229648 parameters, 68229632 gradients, 258.5 GFLOP

# YOLOv8.0n backbone
backbone:
  # [from, repeats, module, args]
  - [-1, 1, Conv, [64, 3, 2]]  # 0-P1/2
  - [-1, 1, Conv, [128, 3, 2]]  # 1-P2/4
  - [-1, 3, C2f_UIB, [128, True]]
  - [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]]  # 3-P3/8
  - [-1, 6, C2f_UIB, [256, True]]
  - [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]]  # 5-P4/16
  - [-1, 6, C2f_UIB, [512, True]]
  - [-1, 1, Conv, [1024, 3, 2]]  # 7-P5/32
  - [-1, 3, C2f_UIB, [1024, True]]
  - [-1, 1, SPPF, [1024, 5]]  # 9

# YOLOv8.0n head
head:
  - [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']]
  - [[-1, 6], 1, Concat, [1]]  # cat backbone P4
  - [-1, 3, C2f_UIB, [512]]  # 12

  - [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']]
  - [[-1, 4], 1, Concat, [1]]  # cat backbone P3
  - [-1, 3, C2f_UIB, [256]]  # 15 (P3/8-small)


  - [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]]
  - [[-1, 12], 1, Concat, [1]]  # cat head P4
  - [-1, 3, C2f_UIB, [512]]  # 18 (P4/16-medium)


  - [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]]
  - [[-1, 9], 1, Concat, [1]]  # cat head P5
  - [-1, 3, C2f_UIB, [1024]]  # 21 (P5/32-large)

  - [[15, 18, 21], 1, Detect, [nc]]  # Detect(P3, P4, P5)

5.2 训练代码

大家可以创建一个py文件将我给的代码复制粘贴进去，配置好自己的文件路径即可运行。

import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')
from ultralytics import YOLO

if __name__ == '__main__':
    model = YOLO('ultralytics/cfg/models/v8/yolov8-C2f-FasterBlock.yaml')
    # model.load('yolov8n.pt') # loading pretrain weights
    model.train(data=r'替换数据集yaml文件地址',
                # 如果大家任务是其它的'ultralytics/cfg/default.yaml'找到这里修改task可以改成detect, segment, classify, pose
                cache=False,
                imgsz=640,
                epochs=150,
                single_cls=False,  # 是否是单类别检测
                batch=4,
                close_mosaic=10,
                workers=0,
                device='0',
                optimizer='SGD', # using SGD
                # resume='', # 如过想续训就设置last.pt的地址
                amp=False,  # 如果出现训练损失为Nan可以关闭amp
                project='runs/train',
                name='exp',
                )