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创新特征金字塔融合，ResNeXt引领YOLOv5高效率目标检测

哪吒 2024-06-17 10:20:05

简介创新特征金字塔融合，ResNeXt引领YOLOv5高效率目标检测

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大家好，我是哪吒。

?本文收录于，目标检测YOLO改进指南。

本专栏均为全网独家首发，?内附代码，可直接使用，改进的方法均是2023年最近的模型、方法和注意力机制。每一篇都做了实验，并附有实验结果分析，模型对比。

一、介绍

1、YOLOv5简介

You Only Look Once (YOLO) 是一种流行的目标检测算法，它是基于深度学习的端到端的目标检测框架，可以在图像上直接预测边界框和类别。

与其前几个版本相比，YOLOv5增加了许多改进：首先，采用了新的backbone网络架构，即CSPNet，可以更好的提取图像特征；其次，YOLOv5在模型训练中采用了自适应精度加速训练（AutoML）、类别平衡滤波器（CBF）等技术，可以有效提高模型性能和训练效率。

2、ResNeXt简介

ResNeXt是ResNet的进一步改进版，它采用了多分支的卷积操作架构，并且使用拼接的方式将多个分支的输出联合在一起，从而提高网络的表达能力。ResNeXt相对于ResNet在图片识别领域有着更好的表现。

3、目标检测简介

目标检测是计算机视觉中的一个重要任务，其目的是在图片或视频中进行物体识别和定位。常见的目标检测方法包括传统的基于人工特征的方法和基于深度学习的方法。基于深度学习的目标检测方法在近年来获得了广泛应用，其中YOLOv5就是其中的代表之一。

二、YOLOv5及其局限性

1、YOLOv5的架构与原理

YOLOv5基于深度残差网络（ResNet）构建，采用了多层级信息融合的特征金字塔网络（Feature Pyramid Network, FPN）以及PANet模块来提升检测精度。其原理是将输入图像通过卷积神经网络提取特征，然后利用anchor框来预测物体的位置和类别。

2、YOLOv5的优势

YOLOv5在目标检测领域有着非常出色的表现，它具有以下几个优势：

高速度：YOLOv5的推理速度非常快，可以达到实时检测的要求。
高准确率：相比于之前的版本，YOLOv5的准确率有了很大的提高。
简单易用：YOLOv5对于新手来说容易上手，并且支持各种不同的应用场景。

3、YOLOv5的局限性

虽然YOLOv5在速度和准确率方面都有着非常优秀的表现，但是也存在一定的局限性：

对小目标检测不够敏感：由于使用的anchor框较大，因此对于小目标的检测不够敏感。
对密集目标检测不够强：由于采用的NMS算法会剔除掉过于靠近的目标框，因此对密集目标检测不够强。
对目标形状要求较高：由于使用的anchor框是固定形状的，因此对于非规则形状的目标检测效果不佳。

三、ResNeXt与特征金字塔融合

1、ResNeXt的基本原理

ResNeXt是ResNet的进一步拓展版本，它采用了多分支卷积操作的架构，并通过拼接的方式将多个分支的输出联合在一起，从而提高网络的表达能力。ResNeXt使用“group convolution”来增加网络深度和宽度，可以更好地学习不同尺度和类型的特征。

ResNet中使用的残差块可以有效地解决梯度消失和梯度爆炸问题，使得网络能够训练到更深的层数，但是其网络结构相对简单，无法充分利用并行计算的优势，因此有限制的提高网络深度和宽度。ResNeXt则采用了多分支卷积操作，将输入按通道数划分为若干组，在每组内进行卷积操作，然后将各个组的输出进行拼接，从而形成更具表达能力的模型结构。

在这里插入图片描述

具体来说，假设输入张量的通道数为C，分为G组，每组的通道数为c=C/G，则多分支卷积操作可以表示为：

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其中，Convc,k表示卷积核大小为k×k*，通道数为c*的卷积操作。最后通过Concat将各个组的输出进行拼接，得到多分支卷积的输出。

ResNeXt的主要优势在于它具有更好的表达能力和泛化性能。由于采用了多分支卷积操作，可以更好地学习不同尺度和类型的特征，从而提高网络的表达能力。同时，由于网络结构更加复杂，可以充分利用并行计算的优势，提高网络的泛化性能。

2、ResNeXt的优势

相比于ResNet，ResNeXt的优势在于它具有更好的表达能力和更好的泛化性能，能够更好地适应不同的数据分布和任务需求。由于采用了多分支卷积操作，可以更好地学习不同尺度和类型的特征，从而提高网络的表达能力。同时，由于网络结构更加复杂，可以充分利用并行计算的优势，提高网络的泛化性能。此外，ResNeXt还能在保持模型深度和参数量相对较小的情况下，进一步提高网络精度。

3、特征金字塔的基本原理

特征金字塔网络（Feature Pyramid Network, FPN）是一种用于解决目标检测中尺度变化问题的方法。其基本思想是通过跨层连接将不同层级的特征图进行融合，从而实现多尺度的物体检测。

在传统的目标检测算法中，由于深层特征图具有较小的感受野和较高的语义信息，因此难以捕捉到小尺度物体的信息。为了解决这个问题，FPN提出了一种跨层特征融合的方法，将深层特征图与浅层特征图进行融合，从而得到更具有多尺度特性的特征图。

具体来说，FPN采用自下而上的方式构建特征金字塔，首先通过在深层网络中使用池化或卷积操作对输入图像进行下采样，得到不同尺度的特征图。然后通过上采样和跨层连接的方式将不同尺度的特征图进行融合，得到具有多尺度信息的特征金字塔。

具体来说，假设原始输入图像大小为W×H，FPN网络包括N个特征层，第i个特征层的大小为w i×h i，则特征金字塔可以表示为：

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Ci表示来自深层网络的第i个特征图，**Pi表示特征金字塔的第i*个层级输出。

FPN的核心是跨层连接和上采样操作。具体来说，对于每个特征层，需要进行以下两个操作：

上采样：将当前特征层的大小调整为与高层特征层相同。
跨层连接：将上采样后的特征层与高层特征层进行融合，得到新的特征层。

具体实现上，可以采用双线性插值等方法进行上采样操作。而跨层连接则可以通过简单的加、拼接、卷积等方式实现。

下图展示了特征金字塔网络的基本结构。输入图像首先通过特征提取网络，生成不同尺度的特征图。然后，每一个特征图都被送至相应的检测网络中进行检测，产生各自的检测结果。这些结果随后被融合到一起，形成最终的目标检测结果。

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4、特征金字塔的优势

特征金字塔网络具有以下优势：

可以处理不同尺度的目标：由于使用了多尺度特征图来进行预测，因此可以有效地处理不同尺度的目标。
可以提高检测精度：由于使用了多个尺度的特征图，因此可以更加全面地考虑目标的特征信息，从而提高检测精度。

特别是在目标检测任务中，由于物体大小和形状各异，因此需要对不同尺度和大小的物体进行检测。传统的目标检测算法往往无法充分利用不同尺度的特征信息，导致检测结果不准确。而特征金字塔网络能够解决这个问题，提高检测精度。

5、ResNeXt与特征金字塔的融合

将ResNeXt与特征金字塔进行融合可以进一步提升目标检测的准确率和鲁棒性。具体做法是将ResNeXt作为YOLOv5的backbone，并在FPN网络中使用PANet模块进行特征融合。

PANet（Path Aggregation Network）模块是一种用于解决特征金字塔网络中信息流失和分支间交互问题的方法。它通过跨层连接和信息聚合操作，将不同尺度的特征图进行融合，从而得到更加多样化的特征表达和增强的感受野。

具体来说，PANet模块主要包括以下几个步骤：

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自下而上的特征提取：通过ResNeXt网络从输入图像中提取出特征向量。
特征金字塔的构建：通过FPN网络将不同尺度的特征图进行融合，得到具有多尺度信息的特征金字塔。
路径聚合操作：将不同尺度的特征图进行聚合，从而得到更加全面和有效的特征表达。
注意力机制：通过注意力机制来进一步增强关键特征的表达能力，提高目标检测的准确率和鲁棒性。

在将ResNeXt与特征金字塔进行融合时，可以采用以下步骤：

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将ResNeXt网络作为YOLOv5的backbone，并通过深层特征图对小尺度物体进行检测。由于ResNeXt网络具有更好的表达能力和泛化性能，可以提高目标检测的准确率和鲁棒性。
在FPN网络中采用PANet模块进行特征融合。具体来说，可以使用自下而上的特征提取方法获取不同尺度的特征向量，并通过FPN网络进行特征金字塔的构建。然后使用PANet模块进行路径聚合操作，将不同尺度的特征图进行聚合，得到更加全面和有效的特征表达。
进一步引入注意力机制，以提高关键特征的表达能力和分类精度。可以通过注意力机制来关注图像中的重要区域，并加强其表达能力，提高目标检测的准确率。

四、创新特征金字塔融合的实现

1、数据准备

在开始实现前，我们需要准备训练数据和测试数据。这些数据可以从开源数据集中获取，例如COCO数据集。

2、YOLOv5代码结构概述

YOLOv5的代码结构非常清晰，主要包括以下几个部分：

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数据处理：负责数据读取、数据增强等操作。
网络结构：YOLOv5网络的定义。
损失函数：计算网络输出与标签之间的差距。
训练过程：包括模型初始化、迭代训练等操作。
测试过程：包括模型加载、输入图像预测等操作。

3、特征金字塔融合的具体实现

特征金字塔融合的实现主要包括以下几个步骤：

（1）定义ResNeXt网络作为YOLOv5的backbone。

使用以下代码定义ResNeXt网络作为YOLOv5的backbone：

import torch.nn as nn
from torchvision.models.resnet import Bottleneck
from torchvision.models.resnet import ResNet

class ResNeXt(ResNet):
    def __init__(self, block, layers, num_classes=1000, groups=32, width_per_group=4):
        self.inplanes = 64
        super(ResNeXt, self).__init__(block, layers, num_classes=num_classes)
        self.groups = groups
        self.base_width = width_per_group * groups
        # replace conv1 layer with 3x3 convolution layer
        self.conv1 = nn.Conv2d(3, self.inplanes, kernel_size=3, stride=2, padding=1, bias=False)
        self.bn1 = nn.BatchNorm2d(self.inplanes)
        self.relu = nn.ReLU(inplace=True)
        self.maxpool = nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2, padding=1)
        
    def _make_layer(self, block, planes, blocks, stride=1, dilate=False):
        previous_dilation = self.dilation
        if dilate:
            self.dilation *= stride
            stride = 1
        layers = []
        layers.append(block(self.inplanes, planes, stride, 
                            downsample=self._make_downsample(self.inplanes, planes, stride)))
        self.inplanes = planes * block.expansion
        for i in range(1, blocks):
            layers.append(block(self.inplanes, planes))
            
        return nn.Sequential(*layers)
    
    def _make_downsample(self, inplanes, planes, stride):
        if stride != 1 or inplanes != planes * Bottleneck.expansion:
            downsample = nn.Sequential(
                nn.Conv2d(inplanes, planes * Bottleneck.expansion,
                          kernel_size=1, stride=stride, bias=False),
                nn.BatchNorm2d(planes * Bottleneck.expansion)
            )
        else:
            downsample = None
            
        return downsample
    
    def forward(self, x):
        x = self.conv1(x)
        x = self.bn1(x)
        x = self.relu(x)
        x = self.maxpool(x)
        
        layer1 = self.layer1(x)
        layer2 = self.layer2(layer1)
        layer3 = self.layer3(layer2)
        layer4 = self.layer4(layer3)
        
        return layer1, layer2, layer3, layer4

（2）在FPN网络中使用PANet模块进行特征融合。

使用以下代码实现在FPN网络中使用PANet模块进行特征融合：

import torch.nn as nn

class PANet(nn.Module):
    def __init__(self, in_channels, out_channels):
        super(PANet, self).__init__()
        self.in_channels = in_channels
        self.out_channels = out_channels
        
        self.lateral_convs = nn.ModuleList()
        self.output_convs = nn.ModuleList()
        for i in range(len(in_channels)):
            lateral_conv = nn.Conv2d(in_channels[i], out_channels, kernel_size=1)
            output_conv = nn.Conv2d(out_channels, out_channels, kernel_size=3, padding=1)
            
            self.lateral_convs.append(lateral_conv)
            self.output_convs.append(output_conv)
            
        self.fusion_convs = nn.ModuleList()
        for i in range(len(in_channels)):
            fusion_conv = nn.Conv2d(out_channels, out_channels, kernel_size=3, padding=1)
            
            self.fusion_convs.append(fusion_conv)
            
    def forward(self, x):
        assert len(x) == len(self.in_channels)
        
        lateral_features = []
        for i in range(len(x)):
            lateral_feature = self.lateral_convs[i](x[i])
            lateral_features.append(lateral_feature)
        
        output_features = []
        last_output_feature = lateral_features[-1]
        output_features.append(last_output_feature)
        for i in range(len(lateral_features)-2, -1, -1):
            lateral_feature = lateral_features[i]
            upsampled_last_output_feature = nn.functional.interpolate(last_output_feature, 
                                                                      size=lateral_feature.shape[-2:], 
                                                                      mode='nearest')
            fused_feature = lateral_feature + upsampled_last_output_feature
            output_feature = self.output_convs[i](fused_feature)
            output_features.append(output_feature)
            last_output_feature = output_feature
    for i in range(1, len(lateral_features)):
        lateral_feature = lateral_features[i]
        downsampled_last_output_feature = nn.functional.max_pool2d(last_output_feature, kernel_size=3, stride=2, padding=1)
        fused_feature = lateral_feature + downsampled_last_output_feature
        output_feature = self.fusion_convs[i-1](fused_feature)
        output_features.insert(0, output_feature)
        last_output_feature = output_feature
        
    return output_features
  
class FPN(nn.Module):
def init(self, in_channels, out_channels):
super(FPN, self).init()
self.in_channels = in_channels
self.out_channels = out_channels

 self.lateral_convs = nn.ModuleList()
    self.output_convs = nn.ModuleList()
    for i in range(len(in_channels)):
        lateral_conv = nn.Conv2d(in_channels[i], out_channels, kernel_size=1)
        output_conv = nn.Conv2d(out_channels, out_channels, kernel_size=3, padding=1)
        
        self.lateral_convs.append(lateral_conv)
        self.output_convs.append(output_conv)
        
    self.fusion_convs = nn.ModuleList()
    self.PANet_modules = nn.ModuleList()
    for i in range(len(in_channels)-1):
        fusion_conv = nn.Conv2d(out_channels, out_channels, kernel_size=3, padding=1)
        self.fusion_convs.append(fusion_conv)
        PANet_module = PANet([out_channels, out_channels], out_channels)
        self.PANet_modules.append(PANet_module)
        
def forward(self, x):
    assert len(x) == len(self.in_channels)
    
    lateral_features = []
    for i in range(len(x)):
        lateral_feature = self.lateral_convs[i](x[i])
        lateral_features.append(lateral_feature)
    
    output_features = []
    # top-down path
    last_output_feature = lateral_features[-1]
    output_features.append(last_output_feature)
    for i in range(len(lateral_features)-2, -1, -1):
        lateral_feature = lateral_features[i]
        upsampled_last_output_feature = nn.functional.interpolate(last_output_feature, 
                                                                  size=lateral_feature.shape[-2:], 
                                                                  mode='nearest')
        fused_feature = lateral_feature + upsampled_last_output_feature
        output_feature = self.output_convs[i](fused_feature)
        output_features.append(output_feature)
        last_output_feature = output_feature
    
    # bottom-up path with PANet
    for i in range(len(lateral_features)-2, -1, -1):
        upper_lateral_feature = lateral_features[i+1]
        lower_lateral_feature = lateral_features[i]
        upsampled_upper_lateral_feature = nn.functional.interpolate(upper_lateral_feature, 
                                                                      size=lower_lateral_feature.shape[-2:], 
                                                                      mode='nearest')
        fused_feature = lower_lateral_feature + upsampled_upper_lateral_feature
        output_feature = self.fusion_convs[i](fused_feature)
        PANet_module = self.PANet_modules[i]
        output_features_below = [output_feature, output_features.pop()]
        output_features += PANet_module(output_features_below)
        
    return output_features[::-1]

（3）修改检测头（Detection Head）以适应新的backbone网络。使用以下代码修改检测头以适应新的ResNeXt网络：

import torch.nn as nn

class YOLOv5Head(nn.Module):
    def __init__(self, num_classes, anchors_per_scale, num_filters):
        super(YOLOv5Head, self).__init__()
        self.num_classes = num_classes
        self.anchors_per_scale = anchors_per_scale
        
        self.conv1 = nn.Conv2d(num_filters[3], num_filters[2], kernel_size=1)
        self.up_sample = nn.Upsample(scale_factor=2, mode='nearest')
        
        self.conv2 = nn.Conv2d(num_filters[2] + num_filters[1], num_filters[2], kernel_size=1)
        self.conv3 = nn.Conv2d(num_filters[2], num_filters[1], kernel_size=1)
        self.conv4 = nn.Conv2d(num_filters[1] + num_filters[0], num_filters[1], kernel_size=1)
        self.conv5 = nn.Conv2d(num_filters[1], num_filters[0], kernel_size=1)
        
        self.predict = nn.Conv2d(num_filters[0], anchors_per_scale * (5 + num_classes), kernel_size=1)
        
    def forward(self, x):
        x = self.conv1(x)
        x = self.up_sample(x)
    
        x = torch.cat([x, x[-2]], dim=1)
        x = self.conv2(x)
        x = self.conv3(x)
    
        x = self.up_sample(x)
        x = torch.cat([x, x[-3]], dim=1)
        x = self.conv4(x)
        x = self.conv5(x)
        output = self.predict(x)
        return output

五、实验与结果

1、实验设置

我们在COCO数据集上使用YOLOv5模型进行实验，比较了将ResNeXt和特征金字塔融合后的模型与基础模型以及其他相关工作的检测结果。我们使用了PyTorch框架来实现我们的模型。训练过程中使用了Adam优化器和步长学习率调度器，同时也进行了数据增强操作。

2、实验结果分析

我们采用了常用的平均精度（Average Precision, AP）指标来评价不同模型的性能，其中mAP表示所有类别的AP的平均值。我们比较了使用YOLOv5作为基础模型、加入ResNext作为backbone、加入FPN和PANet作为特征金字塔的效果，并与其它相关工作的结果进行了对比，如下表所示：