yolo v8_yolov8

参考

睿智的目标检测66——Pytorch搭建YoloV8目标检测平台

CV 经典主干网络 (Backbone) 系列: Darknet-53

CV 经典主干网络 (Backbone) 系列: CSPNet

YOLOv8 深度详解！一文看懂，快速上手

Github官方源码

https://github.com/ultralytics/ultralytics

Documents官方说明

https://docs.ultralytics.com/

原理

前处理（train）

数据增强方面和 yolo v5 差距不大，只不过引入了yolo x中提出的最后 10 个 epoch 关闭 Mosaic 的操作。假设训练 epoch 是 500，其示意图如下所示：

网络结构

整体思想

思想框架

特征提取-特征加强-预测先验框对应的物体情况。

改进部分

1、主干部分：与此前的YoloV5系列差距不大，不过相比之前第一次卷积的卷积核缩小了，是3而不是6。另外CSP模块的预处理从三次卷积换成了两次卷积，具体的实现方式是第一次卷积的通道数扩充为原来的两倍，然后将卷积结果在通道上对半分割。另外借鉴了YoloV7的多堆叠结构。

2、加强特征提取部分：不再对主干网络获得的特征层进行卷积（目的估计是加快速度），另外CSP模块的预处理从三次卷积换成了两次卷积，实现方式与主干网络一样。

3、预测头：加入了DFL模块，DFL模块简单理解就是以概率的方式获得回归值，比如我们当前设置DFL的长度为8，那么某个回归值的计算方式为：

4、自适应多正样本匹配：在YoloV8中，参考YoloX使用了无anchors的实现，是一个无锚点算法，面对长宽不规则的目标比较有优势；在计算损失进行正样本匹配时，正样本需要满足两个条件：一是在真实框内、二是真实框topk最符合要求的正样本（预测框与真实框重合度高且种类预测准确）。

具体结构

对比参考1中的源码看，效果更佳。

Backbone

(640, 640, 3)-->(80,80,256)--> (40,40,512)-->(20,20,1024 * deep_mul)

1. 颈部结构

（1）说明

yolo v5最初使用了Focus结构来初步提取特征，在改进后使用了大卷积核的卷积来初步提取特征，速度不快。

yolo v7则使用了三次卷积来初步提取特征，速度不快。

yolo v8则使用普通的步长为2的3x3卷积核来初步提取特征（损失感受野，但提速了，估计是感受野够了）。

（2）内部执行细节

颈部结构使用普通的步长为2的3*3卷积。(640,640,3)-->(320,320,64)，后面的卷积核参数均为步长2尺寸3*3。(320,320,64)-->(160,160,128)-->(80,80,256)-->(40,40,512)-->(20,20,1024*deep_mul)

Wout = (W+2P–K)/S+1

W+2P：原图+补丁总长度；K：卷积核所占尺寸；S：步长。

这里的Wout计算结果为小数，向上取整，因为用到的是same原则自动padding。

（3）具体模块

2. CSP模块

（1）说明

CSP模块的预处理从三次卷积换成了两次卷积，并且借鉴了YoloV7的多堆叠结构。具体的实现方式是第一次卷积的通道数扩充为原来的两倍，然后将卷积结果在通道上对半分割，这样可以减少一次卷积的次数，加快网络的速度。

（2）内部细节

经过卷积1*1，步长1后，对半劈开，以第一个CSP模块举例(160,160,128)-->(160,160,256)-->a1(160, 160, 128), a2(160,160,128)，

a2经过Bottleneck形成a3(160,160,128), a3经过Bottleneck形成a4(160,160,128)。将a1，a2，a3，a4cat到一起,再经卷积1*1步长1形成A(160,160,128)。

（3）具体模块

Bottleneck内部是两个步长1的3*3卷积，并且设置了残差连接。

class Bottleneck(nn.Module):
    # 标准瓶颈结构，残差结构
    # c1为输入通道数，c2为输出通道数
    def __init__(self, c1, c2, shortcut=True, g=1, k=(3, 3), e=0.5):
        super().__init__()
        c_ = int(c2 * e)  # hidden channels
        self.cv1 = Conv(c1, c_, k[0], 1)
        self.cv2 = Conv(c_, c2, k[1], 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))  

3.激活函数

使用了SiLU激活函数，SiLU是Sigmoid和ReLU的改进版。SiLU具备无上界有下界、平滑、非单调的特性。SiLU在深层模型上的效果优于 ReLU。可以看做是平滑的ReLU激活函数。

f(x)=x⋅sigmoid(x)

总结：本质是1*1卷积，3*3卷积与残差连接的递进组合，1*1卷积负责维度对齐，3*3卷积多用于降采样。同时，借鉴CSP的维度加深策略。

FPN

(80,80,256), (40,40,512), (20,20,1024 * deep_mul)-->(80,80,256), (40,40,512), (20,20,1024 * deep_mul)

FPN的模块和Backbone结构原理一致，经过特征上采样和下采样的融合，三个特征层的shape分别为feat1=(80,80,256)、feat2=(40,40,512)、feat3=(20,20,1024 * deep_mul)。deep_mul只是个系数，对深层的通道进行缩放，在yolo v8中应该是为了平衡计算量做的考虑。

总结

借鉴PANet的思想做特征增强（SSD是最早使用特征金字塔结构表示多尺度特征信息的方法之一，FPN依赖于自上而下的特征金字塔结构，在此基础上，PANet提出一种额外的自下而上的路径）。

Yolo Head

(80,80,256), (40,40,512), (20,20,1024 * deep_mul)-->(4, 8400), (80, 8400), ((144, 80, 80), (144, 40, 40), (144, 20, 20)), (2, 8400), (1, 8400)

(4, 8400): yolo v8解耦头是分开的，分类和回归不在一个3*3卷积里实现。回归值相关的预测头的通道数与DFL的长度有关，在yolo v8中，DFL的长度均设为16。回归值相关的预测头的通道数均为16 × 4 = 64，三个特征层的shape为(20,20,64)，(40,40,64)，(80,80,64)。64可以分为四个16，用于计算四个回归系数。计算完回归系数后,三个特征层的shape为(20,20,4)，(40,40,4)，(80,80,4)。8400 = 80*80+ 40*40+ 20*20

(80, 8400): 种类相关的预测头的通道数和需要区分的种类个数相关。

((144, 80, 80), (144, 40, 40), (144, 20, 20)): 144 = 80 + 64

(2, 8400): x0,y0 (80*80, 1), (40*40, 1), (20, 20, 1); x1,y1 (80*80, 1), (40*40, 1), (20, 20, 1);以0.5为间隔的坐标值，将坐标值张量cat到一起就是(2, 8400)。

比如：

[[ 0.5000, 0.5000],

[ 1.5000, 0.5000],

[ 2.5000, 0.5000],

...,

[77.5000, 79.5000],

[78.5000, 79.5000],

[79.5000, 79.5000]]]

(1, 8400): (80*80, 1), (40*40, 1), (20, 20, 1)；每个张量内的像素是放缩的倍数，分别为8, 16, 32，将三个张量cat到一起就是(1, 8400)。

总结

将同一特征层分别通过3*3卷积解耦，分别对应回归特征和分类特征。

后处理

得分筛选&非极大值抑制

(8400, 84) -->(10, 6)代表10个物体，4个坐标，1个置信度，1个物体类别。

得分筛选就是筛选出得分满足confidence置信度的预测框。

非极大抑制就是筛选出一定区域内属于同一种类得分最大的框。

损失函数（train）

正样本匹配（找特征点对应的框，并负责这个框的预测。）

（a）根据空间距离判断特征点是否在预测框内。

利用特征点坐标减去真实框左上角，利用真实框右下角减去特征点坐标，如果这几个值全都大于0则特征点在真实框内部。

（b）根据代价函数判断特征点是否在真实框的topk内。

a）每个真实框和当前特征点预测框的重合程度；

b）每个真实框和当前特征点预测框的种类预测准确度；

（c）去重等后处理。

可能存在一个特征点预测多个真实框的情况，需要根据重合程度做筛选。

Tips

增加小目标检测层：yolov8_v7_v5