YOLO v8详解

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#深度学习 #人工智能 #神经网络 #计算机视觉 #目标检测

于 2023-01-14 21:48:20 首次发布

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回顾一下YOLOv5

Backbone：CSPDarkNet结构，主要结构思想的体现在C3模块，这里也是梯度分流的主要思想所在的地方；
PAN-FPN：双流的FPN，但是量化还是有些需要图优化才可以达到最优的性能，比如cat前后的scale优化等等，这里除了上采样、CBS卷积模块，最为主要的还有C3模块；
Head：Coupled Head+Anchor-base，YOLOv3、YOLOv4、YOLOv5、YOLOv7都是Anchor-Base的
Loss：分类用BEC Loss，回归用CIoU Loss。还有一个存在物体的置信度损失，总损失为三个损失的加权和

YOLO V8

具体改进如下：

Backbone：使用的依旧是CSP的思想，不过YOLOv5中的C3模块被替换成了C2f模块，实现了进一步的轻量化，同时YOLOv8依旧使用了YOLOv5等架构中使用的SPPF模块；
PAN-FPN：YOLOv8依旧使用了PAN的思想，不过通过对比YOLOv5与YOLOv8的结构图可以看到，YOLOv8将YOLOv5中PAN-FPN上采样阶段中的CBS 1*1的卷积结构删除了，同时也将C3模块替换为了C2f模块；
Decoupled-Head：YOLOv8使用了Decoupled-Head；
Anchor-Free：YOLOv8抛弃了以往的Anchor-Base，使用了Anchor-Free的思想；
损失函数：YOLOv8使用VFL Loss作为分类损失，使用DFL Loss+CIOU Loss作为分类损失
样本匹配：YOLOv8抛弃了以往的IOU匹配或者单边比例的分配方式，而是使用了Task-Aligned Assigner匹配方式。

1.C3和C2F

C3模块，其主要是借助CSPNet提取分流的思想，同时结合残差结构的思想，设计了所谓的C3 Block，这里的CSP主分支梯度模块为BottleNeck模块，也就是所谓的残差模块。同时堆叠的个数由参数n来进行控制，也就是说不同规模的模型，n的值是有变化的。

其实这里的梯度流主分支，可以是任何之前你学习过的模块，比如，美团提出的YOLOv6中就是用来重参模块RepVGGBlock来替换BottleNeck Block来作为主要的梯度流分支，而百度提出的PP-YOLOE则是使用了RepResNet-Block来替换BottleNeck Block来作为主要的梯度流分支。而YOLOv7则是使用了ELAN Block来替换BottleNeck Block来作为主要的梯度流分支。

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)  # optional 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)), 1))

通过C3模块的代码以及结构图可以看到，C3模块和名字思路一致，在模块中使用了3个卷积模块（Conv+BN+SiLU），以及n个BottleNeck。通过C3代码可以看出，对于cv1卷积和cv2卷积的通道数是一致的，而cv3的输入通道数是前者的2倍，因为cv3的输入是由主梯度流分支（BottleNeck分支）依旧次梯度流分支（CBS，cv2分支）cat得到的，因此是2倍的通道数，而输出则是一样的。

不妨我们再看一下YOLOv7中的模块：

YOLOv7通过并行更多的梯度流分支，放ELAN模块可以获得更丰富的梯度信息，进而或者更高的精度和更合理的延迟。

C2f模块的结构图如下：

我们可以很容易的看出，C2f模块就是参考了C3模块以及ELAN的思想进行的设计，让YOLOv8可以在保证轻量化的同时获得更加丰富的梯度流信息。

class C2f(nn.Module):
    # CSP Bottleneck with 2 convolutions
    def __init__(self, c1, c2, n=1, shortcut=False, g=1, e=0.5):  # 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(Bottleneck(self.c, self.c, shortcut, g, k=((3, 3), (3, 3)), e=1.0) for _ in range(n))

    def forward(self, x):
        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))

2.PAN-FPN

YOLOv5的Neck部分的结构图如下：

YOLOV8的Neck部分的结构图如下:

可以看到，相对于YOLOv5，YOLOv8将C3模块以及RepBlock替换为了C2f，同时细心可以发现，相对于YOLOv5，YOLOv8选择将上采样之前的1×1卷积去除了，将Backbone不同阶段输出的特征直接送入了上采样操作。

3.Head

YOLO v5的head的部分使用一个卷积同时做分类和回归（Coupled-Head）

而YOLOv8则是参考了YOLOX和YOLOV6，使用了Decoupled-Head，即使用两个卷积分别做分类和回归，同时由于使用了DFL 的思想，因此回归头的通道数也变成了4*reg_max的形式：

从配置文件上看，YOLO v8相当于对代码做了优化，在下采样32倍时，通道数不加倍。与16倍的通道数相同，上采样做拼接时，不使用1*1的卷积调整通道数，此外，将通道数的调整放入下采样和c2f模块

yolo v5配置文件（右）和yolo v8配置文件（左）

3.损失函数

        对于YOLOv8，其分类损失为VFL Loss，其回归损失为CIOU Loss+DFL的形式，这里Reg_max默认为16。

        VFL主要改进是提出了非对称的加权操作，FL和QFL都是对称的。而非对称加权的思想来源于论文PISA，该论文指出首先正负样本有不平衡问题，即使在正样本中也存在不等权问题，因为mAP的计算是主正样本。

        q是label，正样本时候q为bbox和gt的IoU，负样本时候q=0，当为正样本时候其实没有采用FL，而是普通的BCE，只不过多了一个自适应IoU加权，用于突出主样本。而为负样本时候就是标准的FL了。可以明显发现VFL比QFL更加简单，主要特点是正负样本非对称加权、突出正样本为主样本。

        针对这里的DFL（Distribution Focal Loss），其主要是将框的位置建模成一个 general distribution，让网络快速的聚焦于和目标位置距离近的位置的分布。

        DFL 能够让网络更快地聚焦于目标 y 附近的值，增大它们的概率；
        DFL的含义是以交叉熵的形式去优化与标签y最接近的一左一右2个位置的概率，从而让网络更快的聚焦到目标位置的邻近区域的分布；也就是说学出来的分布理论上是在真实浮点坐标的附近，并且以线性插值的模式得到距离左右整数坐标的权重。

4.样本的匹配

        标签分配是目标检测非常重要的一环，在YOLOv5的早期版本中使用了MaxIOU作为标签分配方法。然而，在实践中发现直接使用边长比也可以达到一阿姨你的效果。而YOLOv8则是抛弃了Anchor-Base方法使用Anchor-Free方法，找到了一个替代边长比例的匹配方法，TaskAligned。
        为与NMS搭配，训练样例的Anchor分配需要满足以下两个规则：
        正常对齐的Anchor应当可以预测高分类得分，同时具有精确定位；不对齐的Anchor应当具有低分类得分，并在NMS阶段被抑制。基于上述两个目标TaskAligned设计了一个新的Anchor alignment metric 来在Anchor level 衡量Task-Alignment的水平。并且，Alignment metric 被集成在了 sample 分配和 loss function里来动态的优化每个 Anchor 的预测。
Anchor alignment metric：
        分类得分和 IoU表示了这两个任务的预测效果，所以，TaskAligned使用分类得分和IoU的高阶组合来衡量Task-Alignment的程度。使用下列的方式来对每个实例计算Anchor-level 的对齐程度：

        s 和 u 分别为分类得分和 IoU 值，α 和 β 为权重超参。从上边的公式可以看出来，t 可以同时控制分类得分和IoU 的优化来实现 Task-Alignment，可以引导网络动态的关注于高质量的Anchor。

Training sample Assignment：
        为提升两个任务的对齐性，TOOD聚焦于Task-Alignment Anchor，采用一种简单的分配规则选择训练样本：对每个实例，选择m个具有最大t值的Anchor作为正样本，选择其余的Anchor作为负样本。然后，通过损失函数(针对分类与定位的对齐而设计的损失函数)进行训练。


转载于微信公众号:AI算法与图像处理