YOLOv5的Backbone详解-Toy模板网

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YOLOv5的Backbone设计

在上一篇文章《YOLOV5的anchor设定》中我们讨论了anchor的产生原理和检测过程，对YOLOv5的网络结构有了大致的了解。接下来，我们将聚焦于YOLOv5的Backbone，深入到底层源码中体会v5的Backbone设计。

1 Backbone概览及参数

# Parameters
nc: 80  # number of classes
depth_multiple: 0.33  # model depth multiple
width_multiple: 0.50  # layer channel multiple

# YOLOv5 v6.0 backbone
backbone:
  # [from, number, module, args]
  [[-1, 1, Conv, [64, 6, 2, 2]],  # 0-P1/2
   [-1, 1, Conv, [128, 3, 2]],  # 1-P2/4
   [-1, 3, C3, [128]],
   [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]],  # 3-P3/8
   [-1, 6, C3, [256]],
   [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]],  # 5-P4/16
   [-1, 9, C3, [512]],
   [-1, 1, Conv, [1024, 3, 2]],  # 7-P5/32
   [-1, 3, C3, [1024]],
   [-1, 1, SPPF, [1024, 5]],  # 9
  ]

yolov5s的backbone部分如上，其网络结构使用yaml文件配置，通过./models/yolo.py解析文件加了一个输入构成的网络模块。与v3和v4所使用的config设置的网络不同，yaml文件中的网络组件不需要进行叠加，只需要在配置文件中设置number即可。

1.1 Param

# Parameters
nc: 80  # number of classes
depth_multiple: 0.33  # model depth multiple
width_multiple: 0.50  # layer channel multiple

nc: 8

代表数据集中的类别数目，例如MNIST中含有0-9共10个类.

depth_multiple: 0.33

用来控制模型的深度，仅在number≠1时启用。如第一个C3层（c3具体是什么后续介绍）的参数设置为[-1, 3, C3, [128]]，其中number=3，表示在v5s中含有1个C3（3*0.33）；同理，v5l中的C3个数就是3（v5l的depth_multiple参数为1）。

width_multiple: 0.50

用来控制模型的宽度，主要作用于args中的ch_out。如第一个Conv层，ch_out=64，那么在v5s实际运算过程中，会将卷积过程中的卷积核设为64x0.5，所以会输出32通道的特征图。

1.2 backbone

# YOLOv5 v6.0 backbone
backbone:
  # [from, number, module, args]
  [[-1, 1, Conv, [64, 6, 2, 2]],  # 0-P1/2
   [-1, 1, Conv, [128, 3, 2]],  # 1-P2/4
   [-1, 3, C3, [128]],
   [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]],  # 3-P3/8
   [-1, 6, C3, [256]],
   [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]],  # 5-P4/16
   [-1, 9, C3, [512]],
   [-1, 1, Conv, [1024, 3, 2]],  # 7-P5/32
   [-1, 3, C3, [1024]],
   [-1, 1, SPPF, [1024, 5]],  # 9
  ]

from：-n代表是从前n层获得的输入，如-1表示从前一层获得输入
number：表示网络模块的数目，如[-1, 3, C3, [128]]表示含有3个C3模块
model：表示网络模块的名称，具体细节可以在./models/common.py查看，如Conv、C3、SPPF都是已经在common中定义好的模块
args：表示向不同模块内传递的参数，即[ch_out, kernel, stride, padding, groups]，这里连ch_in都省去了，因为输入都是上层的输出（初始ch_in为3）。为了修改过于麻烦，这里输入的获取是从./models/yolo.py的def parse_model(md, ch)函数中解析得到的。

1.3 Exp

[-1, 1, Conv, [64, 6, 2, 2]],  # 0-P1/2

input：3x640x640
[ch_out, kernel, stride, padding]=[64, 6, 2, 2]
故新的通道数为64x0.5=32
根据特征图计算公式：Feature_new=(Feature_old-kernel+2xpadding)/stride+1可得：
新的特征图尺寸为：Feature_new=(640-6+2x2)/2+1=320

[-1, 1, Conv, [128, 3, 2]],  # 1-P2/4

input：32x320x320
[ch_out, kernel, stride]=[128, 3, 2]
同理可得：新的通道数为64，新的特征图尺寸为160

2 Backbone组成

v6.0版本的Backbone去除了Focus模块（便于模型导出部署），Backbone主要由CBL、BottleneckCSP/C3以及SPP/SPPF等组成，具体如下图所示：
YOLOv5的Backbone详解

3.1 CBS

YOLOv5的Backbone详解

CBS模块其实没什么好稀奇的，就是Conv+BatchNorm+SiLU，这里着重讲一下Conv的参数，就当复习pytorch的卷积操作了，先上CBL源码：

class Conv(nn.Module):
    # Standard convolution
    def __init__(self, c1, c2, k=1, s=1, p=None, g=1, act=True):  # ch_in, ch_out, kernel, stride, padding, groups
        super().__init__()
        self.conv = nn.Conv2d(c1, c2, k, s, autopad(k, p), groups=g, bias=False)
        self.bn = nn.BatchNorm2d(c2)
        #其中nn.Identity()是网络中的占位符，并没有实际操作，在增减网络过程中，可以使得整个网络层数据不变，便于迁移权重数据；nn.SiLU()一种激活函数(S形加权线性单元)。
        self.act = nn.SiLU() if act is True else (act if isinstance(act, nn.Module) else nn.Identity())

    def forward(self, x):#正态分布型的前向传播
        return self.act(self.bn(self.conv(x)))

    def forward_fuse(self, x):#普通前向传播
        return self.act(self.conv(x))

由源码可知：Conv()包含7个参数，这些参数也是二维卷积Conv2d()中的重要参数。ch_in, ch_out, kernel, stride没什么好说的，展开说一下后三个参数：

padding

从我现在看到的主流卷积操作来看，大多数的研究者不会通过kernel来改变特征图的尺寸，如googlenet中3x3的kernel设定了padding=1，所以当kernel≠1时需要对输入特征图进行填充。当指定p值时按照p值进行填充，当p值为默认时则通过autopad函数进行填充：

def autopad(k, p=None):  # kernel, padding
    # Pad to 'same'
    if p is None:
        p = k // 2 if isinstance(k, int) else [x // 2 for x in k]  # auto-pad
        #如果k是整数，p为k与2整除后向下取整；如果k是列表等，p对应的是列表中每个元素整除2。
    return p

这里作者考虑到对不同的卷积操作使用不同大小的卷积核时padding也需要做出改变，所以这里在为p赋值时会首先检查k是否为int，如果k为列表则对列表中的每个元素整除。

groups

代表分组卷积，如下图所示
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groups – Number of blocked connections from input channels to output

At groups=1, all inputs are convolved to all outputs.

At groups=2, the operation becomes equivalent to having two conv layers side by side, each seeing half the input channels, and producing half the output channels, and both subsequently concatenated.

At groups= in_channels, each input channel is convolved with its own set of filters, of size: ⌊(out_channels)/(in_channels)⌋.

act

决定是否对特征图进行激活操作，SiLU表示使用Sigmoid进行激活。

one more thing：dilation

Conv2d中还有一个重要的参数就是空洞卷积dilation，通俗解释就是控制kernel点（卷积核点）间距的参数，通过改变卷积核间距实现特征图及特征信息的保留，在语义分割任务中空洞卷积比较有效。
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3.2 CSP/C3

CSP即backbone中的C3，因为在backbone中C3存在shortcut，而在neck中C3不使用shortcut，所以backbone中的C3层使用CSP1_x表示，neck中的C3使用CSP2_x表示。

3.2.1 CSP结构

接下来让我们来好好梳理一下backbone中的C3层的模块组成。先上源码：

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)  # act=FReLU(c2)
        self.m = nn.Sequential(*[Bottleneck(c_, c_, shortcut, g, e=1.0) for _ in range(n)])
        # self.m = nn.Sequential(*[CrossConv(c_, c_, 3, 1, g, 1.0, shortcut) for _ in range(n)])

    def forward(self, x):
        return self.cv3(torch.cat((self.m(self.cv1(x)), self.cv2(x)), dim=1))

从源码中可以看出：输入特征图一条分支先经过.cv1，再经过.m，得到子特征图1；另一分支经过.cv2后得到子特征图2。最后将子特征图1和子特征图2拼接后输入.cv3得到C3层的输出，如下图所示。这里的CV操作容易理解，就是前面的Conv2d+BN+SiLU，关键是.m操作。
YOLOv5的Backbone详解

.m操作使用nn.Sequential将多个Bottleneck（图示中我以Resx命名）串接到网络中，for loop中的n即网络配置文件args中的number，也就是将number×depth_multiple个Bottleneck串接到网络中。那么，Bottleneck又是个什么玩意呢？

3.2.2 Bottleneck

要想了解Bottleneck，还要从Resnet说起。在Resnet出现之前，人们的普遍为网络越深获取信息也越多，模型泛化效果越好。然而随后大量的研究表明，网络深度到达一定的程度后，模型的准确率反而大大降低。这并不是过拟合造成的，而是由于反向传播过程中的梯度爆炸和梯度消失。也就是说，网络越深，模型越难优化，而不是学习不到更多的特征。
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为了能让深层次的网络模型达到更好的训练效果，残差网络中提出的残差映射替换了以往的基础映射。对于输入x，期望输出H(x)，网络利用恒等映射将x作为初始结果，将原来的映射关系变成F(x)+x。与其让多层卷积去近似估计H(x) ，不如近似估计H(x)-x，即近似估计残差F(x)。因此，ResNet相当于将学习目标改变为目标值H(x)和x的差值，后面的训练目标就是要将残差结果逼近于0。
残差模块有什么好处呢？

1.梯度弥散方面。加入ResNet中的shortcut结构之后，在反传时，每两个block之间不仅传递了梯度，还加上了求导之前的梯度，这相当于把每一个block中向前传递的梯度人为加大了，也就会减小梯度弥散的可能性。
2.特征冗余方面。正向卷积时，对每一层做卷积其实只提取了图像的一部分信息，这样一来，越到深层，原始图像信息的丢失越严重，而仅仅是对原始图像中的一小部分特征做提取。这显然会发生类似欠拟合的现象。加入shortcut结构，相当于在每个block中又加入了上一层图像的全部信息，一定程度上保留了更多的原始信息。

在resnet中，人们可以使用带有shortcut的残差模块搭建几百层甚至上千层的网络，而浅层的残差模块被命名为Basicblock（18、34），深层网络所使用的的残差模块，就被命名为了Bottleneck（50+）。
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Bottleneck与Basicblock最大的区别是卷积核的组成。 Basicblock由两个3x3的卷积层组成，Bottleneck由两个1x1卷积层夹一个3x3卷积层组成：其中1x1卷积层降维后再恢复维数，让3x3卷积在计算过程中的参数量更少、速度更快。
第一个1x1的卷积把256维channel降到64维，然后在最后通过1x1卷积恢复，整体上用的参数数目：1x1x256x64 + 3x3x64x64 + 1x1x64x256 = 69632，而不使用bottleneck的话就是两个3x3x256的卷积，参数数目: 3x3x256x256x2 = 1179648，差了16.94倍。
Bottleneck减少了参数量，优化了计算，保持了原有的精度。

说了这么多，都是为了给CSP中的Bottleneck做前情提要，我们再回头看CSP中的Bottleneck其实就更清楚了：

class Bottleneck(nn.Module):
    # Standard bottleneck
    def __init__(self, c1, c2, shortcut=True, g=1, e=0.5):  # ch_in, ch_out, shortcut, groups, expansion
        super().__init__()
        c_ = int(c2 * e)  # hidden channels
        self.cv1 = Conv(c1, c_, 1, 1)
        self.cv2 = Conv(c_, c2, 3, 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))

可以看到，CSP中的Bottleneck同resnet模块中的类似，先是1x1的卷积层（CBS)，然后再是3x3的卷积层，最后通过shortcut与初始输入相加。但是这里与resnet的不通点在于：CSP将输入维度减半运算后并未再使用1x1卷积核进行升维，而是将原始输入x也降了维，采取concat的方法进行张量的拼接，得到与原始输入相同维度的输出。其实这里能区分一点就够了：resnet中的shortcut通过add实现，是特征图对应位置相加而通道数不变；而CSP中的shortcut通过concat实现，是通道数的增加。二者虽然都是信息融合的主要方式，但是对张量的具体操作又不相同.
YOLOv5的Backbone详解

其次，对于shortcut是可根据任务要求设置的，比如在backbone中shortcut=True，neck中shortcut=False。
当shortcut=True时，Resx如图：
YOLOv5的Backbone详解

当shortcut=False时，Resx如图：
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这其实也是YOLOv5为人称赞的地方，代码更体系、代码冗余更少，仅需要指定一个参数便可以将Bottleneck和普通卷积联合在一起使用，减少了代码量的同时也使整体感观得到提升。

3.3 SSPF

class SPPF(nn.Module):
    # Spatial Pyramid Pooling - Fast (SPPF) layer for YOLOv5 by Glenn Jocher
    def __init__(self, c1, c2, k=5):  # equivalent to SPP(k=(5, 9, 13))
        super().__init__()
        c_ = c1 // 2  # hidden channels
        self.cv1 = Conv(c1, c_, 1, 1)
        self.cv2 = Conv(c_ * 4, c2, 1, 1)
        self.m = nn.MaxPool2d(kernel_size=k, stride=1, padding=k // 2)

    def forward(self, x):
        x = self.cv1(x)
        with warnings.catch_warnings():
            warnings.simplefilter('ignore')  # suppress torch 1.9.0 max_pool2d() warning
            y1 = self.m(x)
            y2 = self.m(y1)
            return self.cv2(torch.cat([x, y1, y2, self.m(y2)], 1))

SSPF模块将经过CBS的x、一次池化后的y1、两次池化后的y2和3次池化后的self.m(y2)先进行拼接，然后再CBS提取特征。仔细观察不难发现，虽然SSPF对特征图进行了多次池化，但是特征图尺寸并未发生变化，通道数更不会变化，所以后续的4个输出能够在channel维度进行融合。这一模块的主要作用是对高层特征进行提取并融合，在融合的过程中作者多次运用最大池化，尽可能多的去提取高层次的语义特征。
YOLOv5的Backbone详解