文章目录

  • 前言
  • 整体网络结构
  • v5.x网络结构
  • v6.x网络结构
  • 各部分源码解析
  • Conv
  • Focus
  • Bottleneck
  • C3
  • SPP
  • SPPF
  • Reference


前言

YOLOv5是Ultralytics公司的开源项目,GitHub地址:https://github.com/ultralytics/yolov5,更新速度非常快,最新版的v6.1于2022年2月22日发布,目前star数22.7k。

YOLOv5更新日志:

  • 2020年6月26日发布v1.0
  • … … …
  • 2021年4月12日发布v5.0
  • 2021年10月12日发布v6.0
  • 2022年2月22日发布v6.1

下面对v6.x版本的网络模型及各个组件,结合源码和网络框图进行解析。

整体网络结构

v5.x网络结构

yolov8架构图_yolov8架构图

v6.x网络结构

yolov8架构图_深度学习_02

可以看出,相比于之前v5.x,最新版的v6.x网络结构更加精简(以提高速度和推理性能),主要有以下更新:

  • Conv(k=6, s=2, p=2) 替换Focus,便于导出其他框架(for improved exportability)
  • SPPF代替SPP,并且将SPPF放在主干最后一层(for reduced ops)
  • 主干中的C3层重复次数从9次减小到6次(for reduced ops)
  • 主干中最后一个C3层引入shortcut

各部分源码解析

YOLOv5网络搭建的各个组件主要在model/common.py文件中

Conv

网络中的标准卷积层,有2D卷积+BN层+激活函数(SiLU)组成,在之后的Bottleneck、C3、SPPF等结构中都会被调用。

yolov8架构图_卷积_03

源码:

# 标准卷积操作:conv2D+BN+SiLU
# 在Focus、Bottleneck、BottleneckCSP、C3、SPP、DWConv、TransformerBloc等模块中调用
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)
        # 这里的nn.Identity()不改变input,直接return input
        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)))

    # 前向加速推理模块
    # 用于Model类的fuse函数,融合conv+bn 加速推理 一般用于测试/验证阶段
    def forward_fuse(self, x):
        return self.act(self.conv(x))

Focus

Focus模块是作者自己设计出来,为了减少浮点数和提高速度,而不是增加featuremap的,本质就是将图像进行切片,类似于下采样取值,将原图像的宽高信息切分,聚合到channel通道中。

yolov8架构图_目标检测_04


源码:

class Focus(nn.Module):
    # Focus wh information into c-space
    """理论:从高分辨率图像中,周期性的抽出像素点重构到低分辨率图像中,即将图像相邻的四个位置进行堆叠,
    聚焦wh维度信息到c通道中,增大每个点的感受野,减少原始信息的丢失,该模块的设计主要是减少计算量加快速度
    Focus wh information into c-space 把宽度w和高度h的信息整合到c空间中
    1. 先做4个slice 再concat 最后再做Conv
    2. slice后 (b,c1,w,h) -> 分成4个slice 每个slice(b,c1,w/2,h/2)
    3. concat(dim=1)后 4个slice(b,c1,w/2,h/2)) -> (b,4c1,w/2,h/2)
    4. conv后 (b,4c1,w/2,h/2) -> (b,c2,w/2,h/2)
    """
    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 = Conv(c1 * 4, c2, k, s, p, g, act)
        # self.contract = Contract(gain=2)

    def forward(self, x):  # x(b,c,w,h) -> y(b,4c,w/2,h/2)
        # 假设x = [1,2,3,4,5,6,7,8,9] x[::2] = [1,3,5,7,9] 间隔2个取样
        # x[1::2] = [2, 4, 6, 8] 从第二个数据开始,间隔2个取样
        return self.conv(torch.cat([x[..., ::2, ::2], x[..., 1::2, ::2], x[..., ::2, 1::2], x[..., 1::2, 1::2]], 1))
        # return self.conv(self.contract(x))

Bottleneck

标准的bottleneck模块,用在构建BottleneckCSP和C3等模块中,包含shortcut,起到加深网络的作用。

yolov8架构图_2d_05

源码:

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))

C3

C3模块其实是简化版的BottleneckCSP,该部分除了Bottleneck之外,只有3个卷积模块,可以减少参数,所以取名C3,作者用意为:C3() is an improved version of CSPBottleneck(). It is simpler, faster and and lighter with similar performance and better fuse characteristics.

yolov8架构图_目标检测_06


源码:

class C3(nn.Module):
    # C3() is an improved version of CSPBottleneck()
    # It is simpler, faster and lighter with similar performance and better fuse characteristics
    # 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)))
        # self.m = nn.Sequential(*[CrossConv(c_, c_, 3, 1, g, 1.0, shortcut) for _ in range(n)])

    def forward(self, x):
        return self.cv3(torch.cat((self.m(self.cv1(x)), self.cv2(x)), dim=1))

SPP

Spatial Pyramid Pooling (SPP) layer https://arxiv.org/abs/1406.4729

SPP层将更多不同分辨率的特征进行融合,在送入网络neck之前能够得到更多的信息。

yolov8架构图_深度学习_07


源码:

class SPP(nn.Module):
    # Spatial Pyramid Pooling (SPP) layer https://arxiv.org/abs/1406.4729
    def __init__(self, c1, c2, k=(5, 9, 13)):
        super().__init__()
        c_ = c1 // 2  # hidden channels
        self.cv1 = Conv(c1, c_, 1, 1)
        # cv2的输入channel数,等于c_乘以4(4个不同的分辨率的feature map进行融合)
        self.cv2 = Conv(c_ * (len(k) + 1), c2, 1, 1)
        self.m = nn.ModuleList([nn.MaxPool2d(kernel_size=x, stride=1, padding=x // 2) for x in k])

    def forward(self, x):
        x = self.cv1(x)
        with warnings.catch_warnings():
            warnings.simplefilter('ignore')  # suppress torch 1.9.0 max_pool2d() warning
            return self.cv2(torch.cat([x] + [m(x) for m in self.m], 1))

SPPF

Spatial Pyramid Pooling - Fast (SPPF) layer for YOLOv5 by Glenn Jocher

SPP-Fast顾名思义就是为了保证准确率相似的条件下爱,减少计算量,以提高速度,使用3个5×5的最大池化,代替原来的5×5、9×9、13×13最大池化。

yolov8架构图_深度学习_08


源码:

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))

Reference

  • 【YOLOV5-5.x 源码解读】common.py
  • yolov5s-6.0网络模型结构图
  • YOLOv5 v6.0 release 改动速览