目标检测——YOLOv8算法解读

本文详细解读了Ultralytics的YOLOv8算法,包括其C2f结构、SPPF模块、neck和head的变化,以及解耦的损失函数。YOLOv8在速度和准确性上有所提升,同时支持多任务处理和不同模型格式导出。

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作者:Ultralytics公司
代码:https://github.com/ultralytics/ultralytics


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1、算法概述

YOLOv8和YOLOv5都是由小型初创公司Ultralytics创建并维护的,和YOLOv5一样,也没有形成论文,但工程readme里面链接了参考文档(https://docs.ultralytics.com/models/yolov8/),该文档非常丰富,包含如何快速运行、训练、验证、预测及导出其他格式模型,还包含除检测任务的其他任务的扩展如:分割、分类和姿态估计,同时也包含YOLO系列其他模型的汇总介绍。
YOLOv8的主要特点有:
1、模型更快更准确;
2、模型除了能完成目标检测任务,也可以无缝衔接到实例分割、图像分类以及姿态估计任务;
3、与之前的YOLO版本兼容可扩展,ultralytics相当于一个YOLO统一框架;
4、YOLOv8采用新的backbone,与YOLOv5相比采用了anchor-free策略,模型也采用了新的损失函数;
5、YOLOv8支持导出多种格式的模型,并且可以在CPU/GPU上运行。


2、YOLOv8细节

YOLOv8网络结构如下所示,图片来自github用户@RangeKing
在这里插入图片描述
对比YOLOv8和YOLOv5的yaml格式网络结构配置
在这里插入图片描述
可以看到网络规模n/s/m/l/x的深度、宽度配置比例没有改变,但max_channels,YOLOv8的减少了。
Backbone部分,YOLOv8将YOLOv5采用的C3结构升级成了C2f,其余通道数配置均未改变
Head部分,相对于YOLOv5,上采样之前减少了卷积操作,同样将C3升级成了C2f

2.1 YOLOv8的C2f结构

YOLOv8中的C2f结构如下图红框部分:
在这里插入图片描述
由子模块ConvModule和多个DarknetBottleneck所组成,而DarknetBottleneck又包含两个3x3卷积的ConvModule;
对比YOLOv5的C3结构,如下:
在这里插入图片描述
其中ConvModule对应CBS,结构没有改变,DarknetBottleneck相对于YOLOv5的Bottleneck结构,将其第一个1x1的CBS换成了3x3的CBS结构,即YOLOv8的DarknetBottleneck包含两个3x3卷积,值得注意的是,YOLOv8和YOLOv5一样,都在backbone部分的Bottleneck应用了shortcut连接,而neck部分没有应用shortcut。最大的不同是C2f中每个DarknetBottleneck均分出一半通道的特征图直接连接到最后,多个DarknetBottleneck分出来的通道以及最后一个DarknetBottleneck的输出通过Concat操作合并在一起,并经过1x1的ConvModule得到想要的输出通道,这有点像YOLOv7的E-ELAN结构,优化了梯度在网络之间的传播路径,下面具体看代码实现:
在这里插入图片描述

2.2 YOLOv8的SPPF模块

之前YOLOv5以及YOLO其他系列均采用SPP模块,结构如下:
在这里插入图片描述
而YOLOv8采用的SPPF是将池化操作的并行分支改为了串行操作,并在每个池化后接了shortcut,结构如下:
在这里插入图片描述
代码对应如下:
在这里插入图片描述

2.3 YOLOv8的neck和head

Neck部分变化得比较少,一是上采样之前减少了卷积操作,二是将C3升级成了C2f。
变化比较大的是head部分,像YOLOv6一样,YOLOv8解耦了分类和回归分支,并且取消了obj分支(为什么这么做,请参阅论文[1]),并且变成了anchor-free,如下:
当为YOLOv8l模型时,w=1.0,最大通道数为512
在这里插入图片描述
而YOLOv5l的耦合方式检测头结构如下:
在这里插入图片描述

2.4 YOLOv8的损失函数

由上部分可知,检测头解耦后,每个特征尺度的检测头有两个分支:分类分支和回归分支,结构如下:
在这里插入图片描述
分类分支还是采用BCE损失,回归分支是采用CIoU与DFL(Distribution Focal Loss)共同控制。

参考文献:
[1] Generalized Focal Loss(https://arxiv.org/pdf/2006.04388.pdf)
知乎:大白话 Generalized Focal Loss(https://zhuanlan.zhihu.com/p/147691786)

### YOLOv8 算法原理详细介绍 YOLOv8 是一种高效的端到端目标检测算法,继承并改进了前代版本的优点,在多个方面进行了优化和创新。以下是对其核心原理的详细解读: #### 1. 整体设计 YOLOv8 的整体设计延续了 YOLO 家族的一贯风格——实时性和高精度兼顾的目标检测方法。其主要特点在于支持多种任务类型,包括但不限于物体检测、图像分类以及实例分割[^1]。 #### 2. 模型结构 YOLOv8 使用了一种基于 Anchor-Free 的设计思路来替代传统的锚框机制。这种设计显著减少了计算复杂度,并提高了预测效率。具体而言,模型通过回归的方式直接估计边界框的位置和大小,而无需依赖预定义的候选区域。 此外,YOLOv8 还采用了分层特征提取网络(CSPNet),该网络能够有效捕获不同尺度下的空间信息,从而提升小目标检测性能。 #### 3. Loss 函数的设计 为了更好地平衡定位误差与置信度得分之间的关系,YOLOv8 设计了一个综合性的损失函数体系。其中包括用于衡量位置偏差的 IoU-Loss 和针对类别概率分布交叉熵损失项等组成部分。这些组件共同作用于指导整个训练流程向更优解收敛。 #### 4. 数据增强技术的应用 在实际应用过程中,高质量的数据集对于提高模型泛化能力至关重要。因此,YOLOv8 集成了丰富的数据增广手段,例如 Mosaic 增强、MixUp 技术以及其他随机变换操作,以此增加样本多样性并缓解过拟合现象的发生几率[^1]。 #### 5. 推理加速策略 除了强大的训练模式外,YOLOv8 同样注重推理阶段的表现效果。为此开发团队特别考虑到了部署环境中的硬件条件差异因素,在不影响最终输出质量的前提下尽可能简化运算逻辑;同时借助 ONNX Runtime 或 TensorRT 工具链完成进一步提速处理工作。 ```python import ultralytics from ultralytics import YOLO # 加载官方提供的预训练权重文件 model = YOLO('yolov8n.pt') # 对图片执行推断任务 results = model.predict(source='example.jpg', save=True, conf=0.5) ``` 以上代码片段展示了如何利用 Ultralytics 提供的支持库快速搭建起一套完整的 YOLOv8 测试平台。 ---
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