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YOLOv5独家原创改进，ShuffleNetV2网络结构，改进ShuffleNetV2准确率低问题

哪吒 2024-07-04 11:18:06

简介YOLOv5独家原创改进，ShuffleNetV2网络结构，改进ShuffleNetV2准确率低问题

大家好，我是哪吒。

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。

随着深度学习技术的快速发展，目标检测应用也变得越来越普遍。然而，在真实世界的应用场景中，轻量化目标检测仍然是一个具有挑战性的问题。此外，轻量化模型还需要在保持高效率的同时具备较高的准确性。本文介绍了两个轻量化目标检测的网络模型，分别是ShuffleNetV2和YOLOv5，并提出了结合它们的ShuffleNetV2-YOLOv5模型。

一、介绍

1、轻量化目标检测的瓶颈

在现实中，轻量化目标检测通常会受到计算资源、内存限制等因素的影响，导致模型的大小和速度成为了瓶颈。因此，轻量化模型设计的无处不在，它们被用于各种应用场景，如移动端、机器人、嵌入式设备等。同时，轻量化模型还可以在云端工作，以更高的速度提供服务。

2、YOLOv5和ShuffleNetV2的概述

YOLOv5是一种非常流行的目标检测算法。它采用了一种新的架构，称为Scaled-YOLOv4，该架构通过缩放不同尺度的特征图来提高检测精度。与以前的版本相比，YOLOv5具有更快的训练速度和更高的检测精度，这使得它成为当前最先进的目标检测器之一。

ShuffleNetV2是一种基于通道重排（Channel Shuffle）的轻量级神经网络模型。它采用了一种新颖的设计思路，即将原来的卷积操作划分为两个部分：点卷积和组卷积。这样做的好处是可以减小计算量，同时保持较高的准确性。ShuffleNetV2已经被应用于图像分类、目标检测、语义分割等领域，具有较高的性能和效率。

二、ShuffleNetV2的架构

1、ShuffleNetV2的基本单元——ShuffleNet Unit

ShuffleNetV2的基本单元是ShuffleNet Unit，它由两个部分组成：点卷积和通道重排。点卷积层用于提取特征，而通道重排层则用于将特征进行重组以便进行后续操作。通道重排层可以使得特征图中的信息更加有效地传递到下一层。

在这里插入图片描述

ShuffleNet Unit首先使用一个分组卷积（Group Convolution）进行特征提取，这个分组卷积将输入的特征图分成若干组，每组进行独立的卷积操作。然后，将每组的结果进行通道重排，即将每个组的特征图按照一定的规则重新组合起来，使得不同组之间的特征可以交换、融合，从而提高特征表示的多样性和丰富性。最后，再使用一个逐点卷积（Pointwise Convolution）对重排后的特征进行整合和压缩，得到输出特征。

2、ShuffleNetV2的网络结构

ShuffleNetV2的整体结构类似于ResNet，但是采用了不同的设计思路。它将每个阶段划分为多个模块，每个模块包含若干个ShuffleNet Unit。这种设计思路可以有效地增加网络的深度，同时减少计算量和参数量。此外，ShuffleNetV2还使用了一种新型的池化方法——通道分离平均池化（Channel-wise Average Pooling），它可以减少网络中的冗余计算和存储开销。

在这里插入图片描述

ShuffleNetV2将整个网络分为四个阶段，每个阶段都有多个模块。

第一个阶段是一个简单的卷积层，用于提取初级特征。
第二个阶段包含三个模块，每个模块都由若干个ShuffleNet Unit组成。
第三个阶段也包含三个模块，每个模块更深，包含更多的ShuffleNet Unit。
第四个阶段是全局池化和分类器，用于对特征进行分类。

与传统的卷积神经网络不同的是，ShuffleNetV2使用了一种新型的池化方法——通道分离平均池化。传统的池化操作是在每个通道上独立进行的，而通道分离平均池化则是将通道分别进行平均池化，然后再重新组合起来。这种方法可以减少冗余计算和存储开销，提高网络的计算效率。

三、ShuffleNetV2的特点

1、高效的通道重排操作

ShuffleNetV2的核心是通道重排操作。这个操作的目的是将输入的特征图按通道分为若干组，然后将各组中的像素互相交换，最后再将各组合并成一个输出特征图。通过这种方式，ShuffleNetV2可以充分利用通道之间的相关性，并加速模型的训练和推断过程。

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具体来说，通道重排操作主要包括以下几个步骤：

将输入特征图在通道维度上分成若干组。
对每个组进行不同的卷积操作，例如空洞卷积（Dilated Convolution）或深度可分离卷积（Depthwise Separable Convolution）等。
将各组中的像素按照一定的规则重排并合并到一起，形成新的输出特征图。

通道重排操作的本质是将通道信息进行交换和重组，使得不同通道之间的特征可以相互融合和协同工作。这种操作可以提高模型的表达能力，并减少计算量和存储开销，可以应用于各种类型的神经网络中。

2、逐通道矩阵乘法

逐通道矩阵乘法是ShuffleNetV2中的一项重要技术，用于代替传统的卷积操作，以降低计算复杂度。在传统的卷积操作中，每个卷积核需要与整个输入特征图进行卷积运算，因此计算量非常大。而在逐通道矩阵乘法中，则将输入特征图分成多个通道，每个通道只需要与对应的卷积核进行卷积运算，这样就可以大大减少计算量。

具体来说，假设输入特征图的大小为 $C_{in},H,W)$ ，其中 $C_{in}$ 表示通道数， $H$ 和 $W$ 表示高度和宽度。如果使用 $k \times k$ 的卷积核，则该卷积核的尺寸为 $C_{out},k,k)$ ，其中 $C_{out}$ 表示输出通道数。在传统的卷积操作中，该卷积核需要同时作用于所有输入通道，即对于每个输出通道 $c$ ，需要将 $C_{in},k,k)$ 大小的张量与 $k,k,C_{in})$ 大小的张量进行点乘并相加，最终得到一个大小为 $(H, W)$ 的输出特征图。这种操作的计算量随着输入通道数的增加而呈线性增长，因此在深度较大的卷积神经网络中，计算量非常巨大。

而在逐通道矩阵乘法中，则将输入特征图分成 $C_{in}$ 个通道，每个通道拉成一个向量，并将所有通道的向量堆叠起来，得到一个大小为 $C_{in},HW)$ 的二维矩阵。接下来，将卷积核也拉成一个向量，并形成一个大小为 $C_{out},C_{in}k^2)$ 的二维矩阵。最后，将这两个矩阵相乘，并将结果变形为大小为 $C_{out},H,W)$ 的输出特征图。通过这种方式，可以将卷积操作转化为矩阵乘法运算，从而大大减少计算量。

需要注意的是，在逐通道矩阵乘法中，由于输入通道被分成了多个部分，因此无法实现通道间的交互和信息融合。为了解决这个问题，ShuffleNetV2还采用了分组卷积和通道重排技术，增强了特征提取能力。具体来说，在分组卷积中，将输入通道按照一定数量进行分组，然后每个卷积核只对一个组内的通道进行卷积操作。而在通道重排操作中，则将输入通道按照一定数量进行分组，然后将每个组内的通道打乱顺序，并将所有打乱后的通道堆叠起来，得到一个新的特征图。这样可以促进不同通道之间的信息交流与传播，增强网络的表现力和稳定性。

3、轻量级和高精度的平衡

ShuffleNetV2在保持轻量级的优势的同时，也能够达到较高的检测精度。这主要得益于它采用了通道重排等高效的网络设计思路，并使用了一系列的训练技巧和优化策略，例如网络剪枝、量化等。

具体来说，ShuffleNetV2在训练过程中采用了以下技巧：

Gradient-based channel pruning：通过梯度对通道进行剪枝，以减少计算量和存储开销。
Group-wise activation regularization：通过对每个通道组的激活值进行正则化，以避免不同通道之间的过拟合。
Quantization-aware training：通过对权重和激活值进行量化，以减少存储和计算开销，并提高模型的推断速度和准确性。

四、YOLOv5

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。

五、ShuffleNetV2作为特征提取网络的骨干网络

在目标检测中，特征提取网络通常作为算法的骨干网络，负责提取输入图像中不同尺度、不同语义信息的特征。而ShuffleNetV2是一种轻量级的卷积神经网络，具有运行速度快和模型大小小的特点，可以作为YOLOv5中特征提取网络的骨干网络。

在YOLOv5中，ShuffleNetV2被用作主干网络，通过多个不同尺度的特征处理层来处理不同分辨率的图像，然后将这些特征进行融合，从而得到图像中物体的位置和类别信息。

以下是使用ShuffleNetV2作为特征提取网络的骨干网络的代码示例：

import torch.nn as nn
import torchvision.models as models

class ShuffleNetV2(nn.Module):
    def __init__(self, num_classes=1000):
        super(ShuffleNetV2, self).__init__()
        self.model = models.shufflenet_v2_x1_0(pretrained=True)
        # 使用预训练权重初始化模型参数

        self.num_features = self.model.fc.in_features
        self.model.fc = nn.Linear(self.num_features, num_classes)

    def forward(self, x):
        x = self.model.conv1(x)
        x = self.model.maxpool(x)

        # 将不同尺度的图像输入到不同层中进行处理
        x1 = self.model.stage2(x)
        x2 = self.model.stage3(x1)
        x3 = self.model.stage4(x2)

        # 将多个特征层进行融合提取物体位置和类别信息
        out = self.model.conv5(x3)
        out = self.model.avgpool(out)
        out = out.view(out.size(0), -1)
        out = self.model.fc(out)

        return out

六、ShuffleNetV2在YOLOv5中的改进

1、改进一：通道重分配（Channel Pruning）

通道重分配是一种对卷积神经网络进行优化的方法，其基本思想是去除冗余通道，只保留对目标检测任务有贡献的通道。这个过程可以通过对每个卷积层的权重进行剪枝实现，从而减少网络的计算和存储开销。

在使用ShuffleNetV2作为特征提取器时，我们可以对ShuffleNetV2的每个卷积层进行通道重分配，去除掉那些对目标检测没有贡献的通道，从而减少网络的计算和存储开销。这样做的好处是可以显著缩小模型大小，从而加快推理速度。

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
from models.common import Conv, DWConv

class ChannelPruning(nn.Module):
    def __init__(self, in_channels, out_channels, stride=1, groups=1, prune_ratio=0.5):
        super(ChannelPruning, self).__init__()
        self.out_channels = out_channels
        self.stride = stride
        self.groups = groups
        self.prune_ratio = prune_ratio

        self.conv = Conv(in_channels, out_channels, 1, stride=1, relu=True)
        self.shuffle = nn.BatchNorm2d(out_channels // 2)

    def forward(self, x):
        channels = int(x.size(1) * self.prune_ratio)
        residual = x[:, :channels, :, :]

        out = self.conv(x)
        out = self.shuffle(out)

        out = out.view(out.size(0), 2, -1, out.size(2), out.size(3))
        out = torch.cat((out[:, 0], residual), dim=1)

        return out.contiguous()[:, :self.out_channels, :, :]

2、改进二：SENet模块的引入

SENet（Squeeze-and-Excitation Network）是一种轻量级的注意力机制模块，可以帮助网络更好地提取特征。在YOLOv5中，我们可以将SENet模块集成到ShuffleNetV2的卷积层中，以增强卷积层的特征提取能力。具体来说，每个卷积层都会先进行一次全局平均池化，然后通过两个连续的全连接层学习得到一个权重向量，用于对通道进行加权。

在这里插入图片描述

以下是SENet模块的代码示例：

class SEBlock(nn.Module):
    def __init__(self, channels, ratio=16):
        super(SEBlock, self).__init__()
        self.avg_pool = nn.AdaptiveAvgPool2d(1)
        self.fc1 = nn.Linear(channels, channels // ratio)
        self.fc2 = nn.Linear(channels // ratio, channels)

    def forward(self, x):
        b, c, _, _ = x.size()
        y = self.avg_pool(x).view(b, c)
        y = self.fc1(y)
        y = F.relu(y)
        y = self.fc2(y)
        y = F.sigmoid(y).view(b, c, 1, 1)
        return x * y.expand_as(x)

3、改进三：CBAM模块的引入

CBAM（Convolutional Block Attention Module）是一种基于注意力机制的卷积神经网络模块，可以显著提升网络的特征提取能力。CBAM模块包含两个部分：Channel Attention和Spatial Attention。其中，Channel Attention用于对通道进行注意力加权，Spatial Attention用于对空间位置进行注意力加权。

在这里插入图片描述

在YOLOv5中，我们可以将CBAM模块集成到ShuffleNetV2的卷积层中，以增强卷积层的特征提取能力。具体来说，每个卷积层都会先通过一个Channel Attention模块和一个Spatial Attention模块，然后再进行卷积操作。

以下是CBAM模块的代码示例：

CBAMBlock(nn.Module):
    def __init__(self, channels, reduction=16):
        super(CBAMBlock, self).__init__()
        self.channel_gate = nn.Sequential(
            nn.AdaptiveAvgPool2d(1),
            nn.Conv2d(channels, channels // reduction, kernel_size=1, stride=1, padding=0, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(channels // reduction),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Conv2d(channels // reduction, channels, kernel_size=1, stride=1, padding=0, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(channels),
            nn.Sigmoid()
        )

        self.spatial_gate = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(channels, 1, kernel_size=7, stride=1, padding=3, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(1),
            nn.Sigmoid()
        )

    def forward(self, x):
        channel_att = self.channel_gate(x)
        spatial_att = self.spatial_gate(x)

        out = x * channel_att.expand_as(x)
        out = out * spatial_att.expand_as(out)

        return out

七、实验结果分析

1、数据集和评估指标

本实验采用了COCO数据集作为目标检测的测试集，并使用mAP（平均精度）和FPS（每秒处理帧数）作为评估指标。COCO是当前最流行的目标检测数据集之一，它包含超过328,000张图像和2.5万个类别注释，涵盖了人、动物、车辆等各种常见物体。

mAP是目标检测中用来衡量模型性能的重要指标之一，它表示模型在不同IOU（交并比）阈值下的平均精度。在COCO数据集上，常用的IOU阈值为0.5和0.75。当IOU阈值为0.5时，mAP计算的是模型检测到的物体与标注框的重叠面积大于50%的物体的准确率；当IOU阈值为0.75时，mAP计算的是模型检测到的物体与标注框的重叠面积大于75%的物体的准确率。

FPS是衡量模型推理速度的指标，它表示模型在单位时间内可以处理的图像帧数。对于实际应用场景而言，FPS越高表示模型可以快速地处理更多的图像数据，从而提高实时性。