第P9周:YOLOv5-Backbone模块实现

news2024/11/15 15:59:29

● 🍨 本文为🔗365天深度学习训练营 中的学习记录博客
● 🍦 参考文章:Pytorch实战 | 第P9周:YOLOv5-Backbone模块实现(训练营内部成员可读)
● 🍖 原作者:K同学啊|接辅导、项目定制

说明:

1.本次进学习YOLOv5-Backbone模块实现,其余程序与P8周相同
2.C3模块大致已经在上周了解,本次主要了解一下SPP结构

学习记录

1.CBS

CBS由一个二维卷积层+一个Bn层+一个SiLU激活函数构成
SiLU(x)=x⋅Sigmoid(x)

2.C3运作流程

输入A分为两个部分,第一部分通过一个卷积层得到输出A。
第二部分则通过一个CBS层+一个瓶颈层
瓶颈层中采用了shortcut
shortcut为了解决深度网络的梯度发散问题
输入B与经过两次卷积的输出B进行add操作得到输出C
最后输出C和经过卷积层的输出A通过concat操作拼接

3.SPPF

SPPF是SPP结构的改进,速度更快
运作流程为:
1.通过CBS层,即卷积层+BN层+SiLU,输出为x
2.x通过第一次最大池化记为y1,y1通过第二次最大池化层记为y2,最后通过一个最大池化层记为y3
3.将x,y1,y2,y3进行融合
4通过一个CBS层得到最终输出
看起来是可以获得不同层次(池化次数)的特征,融合局部特征和整体特征的效果

4.YOLOv5-Backbone模块组合方法

输入经过两个CBS层后,经过三组C3+CBS的组合,最后通过SPPF完成卷积操作
@K同学啊
图的绘制者@K同学啊

YOLOv5-Backbone模块实现

import torch.nn.functional as F

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):
    # Standard convolution
    def __init__(self, c1, c2, k=1, s=1, p=None, g=1, act=True):  # ch_in, ch_out, kernel, stride, padding, groups
        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.SiLU() if act is True else (act if isinstance(act, nn.Module) else nn.Identity())

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

class Bottleneck(nn.Module):
    # Standard bottleneck
    def __init__(self, c1, c2, shortcut=True, g=1, e=0.5):  # ch_in, ch_out, shortcut, groups, expansion
        super().__init__()
        c_ = int(c2 * e)  # hidden channels
        self.cv1 = Conv(c1, c_, 1, 1)
        self.cv2 = Conv(c_, c2, 3, 1, g=g)
        self.add = shortcut and c1 == c2

    def forward(self, x):
        return x + self.cv2(self.cv1(x)) if self.add else self.cv2(self.cv1(x))

class C3(nn.Module):
    # CSP Bottleneck with 3 convolutions
    def __init__(self, c1, c2, n=1, shortcut=True, g=1, e=0.5):  # ch_in, ch_out, number, shortcut, groups, expansion
        super().__init__()
        c_ = int(c2 * e)  # hidden channels
        self.cv1 = Conv(c1, c_, 1, 1)
        self.cv2 = Conv(c1, c_, 1, 1)
        self.cv3 = Conv(2 * c_, c2, 1)  # act=FReLU(c2)
        self.m = nn.Sequential(*(Bottleneck(c_, c_, shortcut, g, e=1.0) for _ in range(n)))

    def forward(self, x):
        return self.cv3(torch.cat((self.m(self.cv1(x)), self.cv2(x)), dim=1))
    
class SPPF(nn.Module):
    # Spatial Pyramid Pooling - Fast (SPPF) layer for YOLOv5 by Glenn Jocher
    def __init__(self, c1, c2, k=5):  # equivalent to SPP(k=(5, 9, 13))
        super().__init__()
        c_ = c1 // 2  # hidden channels
        self.cv1 = Conv(c1, c_, 1, 1)
        self.cv2 = Conv(c_ * 4, c2, 1, 1)
        self.m = nn.MaxPool2d(kernel_size=k, stride=1, padding=k // 2)

    def forward(self, x):
        x = self.cv1(x)
        with warnings.catch_warnings():
            warnings.simplefilter('ignore')  # suppress torch 1.9.0 max_pool2d() warning
            y1 = self.m(x)
            y2 = self.m(y1)
            return self.cv2(torch.cat([x, y1, y2, self.m(y2)], 1))
"""
这个是YOLOv5, 6.0版本的主干网络,这里进行复现
(注:有部分删改,详细讲解将在后续进行展开)
"""
class YOLOv5_backbone(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(YOLOv5_backbone, self).__init__()
        
        self.Conv_1 = Conv(3, 64, 3, 2, 2) 
        self.Conv_2 = Conv(64, 128, 3, 2) 
        self.C3_3   = C3(128,128)
        self.Conv_4 = Conv(128, 256, 3, 2) 
        self.C3_5   = C3(256,256)
        self.Conv_6 = Conv(256, 512, 3, 2) 
        self.C3_7   = C3(512,512)
        self.Conv_8 = Conv(512, 1024, 3, 2) 
        self.C3_9   = C3(1024, 1024)
        self.SPPF   = SPPF(1024, 1024, 5)
        
        # 全连接网络层,用于分类
        self.classifier = nn.Sequential(
            nn.Linear(in_features=65536, out_features=100),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(in_features=100, out_features=4)
        )
        
    def forward(self, x):
        x = self.Conv_1(x)
        x = self.Conv_2(x)
        x = self.C3_3(x)
        x = self.Conv_4(x)
        x = self.C3_5(x)
        x = self.Conv_6(x)
        x = self.C3_7(x)
        x = self.Conv_8(x)
        x = self.C3_9(x)
        x = self.SPPF(x)
        
        x = torch.flatten(x, start_dim=1)
        x = self.classifier(x)

        return x

device = "cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu"
print("Using {} device".format(device))
    
model = YOLOv5_backbone().to(device)
model
(cv1): Conv(
  (conv): Conv2d(1024, 512, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
  (bn): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
  (act): SiLU()
)
(cv2): Conv(
  (conv): Conv2d(1024, 512, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
  (bn): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
  (act): SiLU()
)
(cv3): Conv(
  (conv): Conv2d(1024, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
  (bn): BatchNorm2d(1024, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
  (act): SiLU()
)
(m): Sequential(
  (0): Bottleneck(
    (cv1): Conv(
      (conv): Conv2d(512, 512, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (act): SiLU()
    )
    (cv2): Conv(
      (conv): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (act): SiLU()
    )
  )
)   )   (SPPF): SPPF(
(cv1): Conv(
  (conv): Conv2d(1024, 512, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
  (bn): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
  (act): SiLU()
)
(cv2): Conv(
  (conv): Conv2d(2048, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
  (bn): BatchNorm2d(1024, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
  (act): SiLU()
)
(m): MaxPool2d(kernel_size=5, stride=1, padding=2, dilation=1, ceil_mode=False)   )   (classifier): Sequential(
(0): Linear(in_features=65536, out_features=100, bias=True)
(1): ReLU()
(2): Linear(in_features=100, out_features=4, bias=True)   ) )
# 统计模型参数量以及其他指标
import torchsummary as summary
summary.summary(model, (3, 224, 224))
----------------------------------------------------------------
        Layer (type)               Output Shape         Param #
================================================================
            Conv2d-1         [-1, 64, 113, 113]           1,728
       BatchNorm2d-2         [-1, 64, 113, 113]             128
              SiLU-3         [-1, 64, 113, 113]               0
              Conv-4         [-1, 64, 113, 113]               0
            Conv2d-5          [-1, 128, 57, 57]          73,728
       BatchNorm2d-6          [-1, 128, 57, 57]             256
              SiLU-7          [-1, 128, 57, 57]               0
              Conv-8          [-1, 128, 57, 57]               0
            Conv2d-9           [-1, 64, 57, 57]           8,192
      BatchNorm2d-10           [-1, 64, 57, 57]             128
             SiLU-11           [-1, 64, 57, 57]               0
             Conv-12           [-1, 64, 57, 57]               0
           Conv2d-13           [-1, 64, 57, 57]           4,096
      BatchNorm2d-14           [-1, 64, 57, 57]             128
             SiLU-15           [-1, 64, 57, 57]               0
             Conv-16           [-1, 64, 57, 57]               0
           Conv2d-17           [-1, 64, 57, 57]          36,864
      BatchNorm2d-18           [-1, 64, 57, 57]             128
             SiLU-19           [-1, 64, 57, 57]               0
             Conv-20           [-1, 64, 57, 57]               0
       Bottleneck-21           [-1, 64, 57, 57]               0
           Conv2d-22           [-1, 64, 57, 57]           8,192
      BatchNorm2d-23           [-1, 64, 57, 57]             128
             SiLU-24           [-1, 64, 57, 57]               0
             Conv-25           [-1, 64, 57, 57]               0
           Conv2d-26          [-1, 128, 57, 57]          16,384
      BatchNorm2d-27          [-1, 128, 57, 57]             256
             SiLU-28          [-1, 128, 57, 57]               0
             Conv-29          [-1, 128, 57, 57]               0
               C3-30          [-1, 128, 57, 57]               0
           Conv2d-31          [-1, 256, 29, 29]         294,912
      BatchNorm2d-32          [-1, 256, 29, 29]             512
             SiLU-33          [-1, 256, 29, 29]               0
             Conv-34          [-1, 256, 29, 29]               0
           Conv2d-35          [-1, 128, 29, 29]          32,768
      BatchNorm2d-36          [-1, 128, 29, 29]             256
             SiLU-37          [-1, 128, 29, 29]               0
             Conv-38          [-1, 128, 29, 29]               0
           Conv2d-39          [-1, 128, 29, 29]          16,384
      BatchNorm2d-40          [-1, 128, 29, 29]             256
             SiLU-41          [-1, 128, 29, 29]               0
             Conv-42          [-1, 128, 29, 29]               0
           Conv2d-43          [-1, 128, 29, 29]         147,456
      BatchNorm2d-44          [-1, 128, 29, 29]             256
             SiLU-45          [-1, 128, 29, 29]               0
             Conv-46          [-1, 128, 29, 29]               0
       Bottleneck-47          [-1, 128, 29, 29]               0
           Conv2d-48          [-1, 128, 29, 29]          32,768
      BatchNorm2d-49          [-1, 128, 29, 29]             256
             SiLU-50          [-1, 128, 29, 29]               0
             Conv-51          [-1, 128, 29, 29]               0
           Conv2d-52          [-1, 256, 29, 29]          65,536
      BatchNorm2d-53          [-1, 256, 29, 29]             512
             SiLU-54          [-1, 256, 29, 29]               0
             Conv-55          [-1, 256, 29, 29]               0
               C3-56          [-1, 256, 29, 29]               0
           Conv2d-57          [-1, 512, 15, 15]       1,179,648
      BatchNorm2d-58          [-1, 512, 15, 15]           1,024
             SiLU-59          [-1, 512, 15, 15]               0
             Conv-60          [-1, 512, 15, 15]               0
           Conv2d-61          [-1, 256, 15, 15]         131,072
      BatchNorm2d-62          [-1, 256, 15, 15]             512
             SiLU-63          [-1, 256, 15, 15]               0
             Conv-64          [-1, 256, 15, 15]               0
           Conv2d-65          [-1, 256, 15, 15]          65,536
      BatchNorm2d-66          [-1, 256, 15, 15]             512
             SiLU-67          [-1, 256, 15, 15]               0
             Conv-68          [-1, 256, 15, 15]               0
           Conv2d-69          [-1, 256, 15, 15]         589,824
      BatchNorm2d-70          [-1, 256, 15, 15]             512
             SiLU-71          [-1, 256, 15, 15]               0
             Conv-72          [-1, 256, 15, 15]               0
       Bottleneck-73          [-1, 256, 15, 15]               0
           Conv2d-74          [-1, 256, 15, 15]         131,072
      BatchNorm2d-75          [-1, 256, 15, 15]             512
             SiLU-76          [-1, 256, 15, 15]               0
             Conv-77          [-1, 256, 15, 15]               0
           Conv2d-78          [-1, 512, 15, 15]         262,144
      BatchNorm2d-79          [-1, 512, 15, 15]           1,024
             SiLU-80          [-1, 512, 15, 15]               0
             Conv-81          [-1, 512, 15, 15]               0
               C3-82          [-1, 512, 15, 15]               0
           Conv2d-83           [-1, 1024, 8, 8]       4,718,592
      BatchNorm2d-84           [-1, 1024, 8, 8]           2,048
             SiLU-85           [-1, 1024, 8, 8]               0
             Conv-86           [-1, 1024, 8, 8]               0
           Conv2d-87            [-1, 512, 8, 8]         524,288
      BatchNorm2d-88            [-1, 512, 8, 8]           1,024
             SiLU-89            [-1, 512, 8, 8]               0
             Conv-90            [-1, 512, 8, 8]               0
           Conv2d-91            [-1, 512, 8, 8]         262,144
      BatchNorm2d-92            [-1, 512, 8, 8]           1,024
             SiLU-93            [-1, 512, 8, 8]               0
             Conv-94            [-1, 512, 8, 8]               0
           Conv2d-95            [-1, 512, 8, 8]       2,359,296
      BatchNorm2d-96            [-1, 512, 8, 8]           1,024
             SiLU-97            [-1, 512, 8, 8]               0
             Conv-98            [-1, 512, 8, 8]               0
       Bottleneck-99            [-1, 512, 8, 8]               0
          Conv2d-100            [-1, 512, 8, 8]         524,288
     BatchNorm2d-101            [-1, 512, 8, 8]           1,024
            SiLU-102            [-1, 512, 8, 8]               0
            Conv-103            [-1, 512, 8, 8]               0
          Conv2d-104           [-1, 1024, 8, 8]       1,048,576
     BatchNorm2d-105           [-1, 1024, 8, 8]           2,048
            SiLU-106           [-1, 1024, 8, 8]               0
            Conv-107           [-1, 1024, 8, 8]               0
              C3-108           [-1, 1024, 8, 8]               0
          Conv2d-109            [-1, 512, 8, 8]         524,288
     BatchNorm2d-110            [-1, 512, 8, 8]           1,024
            SiLU-111            [-1, 512, 8, 8]               0
            Conv-112            [-1, 512, 8, 8]               0
       MaxPool2d-113            [-1, 512, 8, 8]               0
       MaxPool2d-114            [-1, 512, 8, 8]               0
       MaxPool2d-115            [-1, 512, 8, 8]               0
          Conv2d-116           [-1, 1024, 8, 8]       2,097,152
     BatchNorm2d-117           [-1, 1024, 8, 8]           2,048
            SiLU-118           [-1, 1024, 8, 8]               0
            Conv-119           [-1, 1024, 8, 8]               0
            SPPF-120           [-1, 1024, 8, 8]               0
          Linear-121                  [-1, 100]       6,553,700
            ReLU-122                  [-1, 100]               0
          Linear-123                    [-1, 4]             404
================================================================
Total params: 21,729,592
Trainable params: 21,729,592
Non-trainable params: 0
----------------------------------------------------------------
Input size (MB): 0.57
Forward/backward pass size (MB): 137.59
Params size (MB): 82.89
Estimated Total Size (MB): 221.06
----------------------------------------------------------------

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