【YOLOv8模型网络结构图理解】-Toy模板网

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1 YOLOv8的yaml配置文件

YOLOv8的配置文件定义了模型的关键参数和结构，包括类别数、模型尺寸、骨干（backbone）和头部（head）结构。这些配置决定了模型的性能和复杂性。

下面是YOLOv8的配置文件和参数的解释：

# Ultralytics YOLO 🚀, AGPL-3.0 license
# YOLOv8 object detection model with P3-P5 outputs. For Usage examples see https://docs.ultralytics.com/tasks/detect

# Parameters
nc: 80  # 类别数目，nc代表"number of classes"，即模型用于检测的对象类别总数。 80表示该模型配置用于检测80种不同的对象。由于默认使用COCO数据集，这里nc=80；
scales: # 模型复合缩放常数，用于定义模型的不同尺寸和复杂度。例如 'model=yolov8n.yaml' 将调用带有 'n' 缩放的 yolov8.yaml
  # [depth, width, max_channels]
  n: [0.33, 0.25, 1024]  # YOLOv8n概览：225层, 3157200参数, 3157184梯度, 8.9 GFLOPs
  s: [0.33, 0.50, 1024]  # YOLOv8s概览：225层, 11166560参数, 11166544梯度, 28.8 GFLOPs
  m: [0.67, 0.75, 768]   # YOLOv8m概览：295层, 25902640参数, 25902624梯度, 79.3 GFLOPs
  l: [1.00, 1.00, 512]   # YOLOv8l概览：365层, 43691520参数, 43691504梯度, 165.7 GFLOPs
  x: [1.00, 1.25, 512]   # YOLOv8x概览：365层, 68229648参数, 68229632梯度, 258.5 GFLOPs

# YOLOv8.0n backbone 骨干层
backbone:
  # [from, repeats, module, args]
  - [-1, 1, Conv, [64, 3, 2]]  # 0-P1/2 第0层，-1代表将上层的输出作为本层的输入。第0层的输入是640*640*3的图像。Conv代表卷积层，相应的参数：64代表输出通道数，3代表卷积核大小k，2代表stride步长。卷积后输出的特征图尺寸为320*320*64，长宽为初始图片的1/2
  - [-1, 1, Conv, [128, 3, 2]]  # 1-P2/4 第1层，本层和上一层是一样的操作（128代表输出通道数，3代表卷积核大小k，2代表stride步长）。卷积后输出的特征图尺寸为160*160*128，长宽为初始图片的1/4
  - [-1, 3, C2f, [128, True]] # 第2层，本层是C2f模块，3代表本层重复3次。128代表输出通道数，True表示Bottleneck有shortcut。输出的特征图尺寸为160*160*128。
  - [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]]  # 3-P3/8 第3层，进行卷积操作（256代表输出通道数，3代表卷积核大小k，2代表stride步长），输出特征图尺寸为80*80*256（卷积的参数都没变，所以都是长宽变成原来的1/2，和之前一样），特征图的长宽已经变成输入图像的1/8。
  - [-1, 6, C2f, [256, True]] # 第4层，本层是C2f模块，可以参考第2层的讲解。6代表本层重复6次。256代表输出通道数，True表示Bottleneck有shortcut。经过这层之后，特征图尺寸依旧是80*80*256。
  - [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]]  # 5-P4/16 第5层，进行卷积操作（512代表输出通道数，3代表卷积核大小k，2代表stride步长），输出特征图尺寸为40*40*512（卷积的参数都没变，所以都是长宽变成原来的1/2，和之前一样），特征图的长宽已经变成输入图像的1/16。
  - [-1, 6, C2f, [512, True]] # 第6层，本层是C2f模块，可以参考第2层的讲解。6代表本层重复6次。512代表输出通道数，True表示Bottleneck有shortcut。经过这层之后，特征图尺寸依旧是40*40*512。
  - [-1, 1, Conv, [1024, 3, 2]]  # 7-P5/32 第7层，进行卷积操作（1024代表输出通道数，3代表卷积核大小k，2代表stride步长），输出特征图尺寸为20*20*1024（卷积的参数都没变，所以都是长宽变成原来的1/2，和之前一样），特征图的长宽已经变成输入图像的1/32。
  - [-1, 3, C2f, [1024, True]] #第8层，本层是C2f模块，可以参考第2层的讲解。3代表本层重复3次。1024代表输出通道数，True表示Bottleneck有shortcut。经过这层之后，特征图尺寸依旧是20*20*1024。
  - [-1, 1, SPPF, [1024, 5]]  # 9 第9层，本层是快速空间金字塔池化层（SPPF）。1024代表输出通道数，5代表池化核大小k。结合模块结构图和代码可以看出，最后concat得到的特征图尺寸是20*20*（512*4），经过一次Conv得到20*20*1024。

# YOLOv8.0n head 头部层
head:
  - [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']] # 第10层，本层是上采样层。-1代表将上层的输出作为本层的输入。None代表上采样的size=None（输出尺寸）不指定。2代表scale_factor=2，表示输出的尺寸是输入尺寸的2倍。mode=nearest代表使用的上采样算法为最近邻插值算法。经过这层之后，特征图的长和宽变成原来的两倍，通道数不变，所以最终尺寸为40*40*1024。
  - [[-1, 6], 1, Concat, [1]]  # cat backbone P4 第11层，本层是concat层，[-1, 6]代表将上层和第6层的输出作为本层的输入。[1]代表concat拼接的维度是1。从上面的分析可知，上层的输出尺寸是40*40*1024，第6层的输出是40*40*512，最终本层的输出尺寸为40*40*1536。
  - [-1, 3, C2f, [512]]  # 12 第12层，本层是C2f模块，可以参考第2层的讲解。3代表本层重复3次。512代表输出通道数。与Backbone中C2f不同的是，此处的C2f的bottleneck模块的shortcut=False。

  - [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']] # 第13层，本层也是上采样层（参考第10层）。经过这层之后，特征图的长和宽变成原来的两倍，通道数不变，所以最终尺寸为80*80*512。
  - [[-1, 4], 1, Concat, [1]]  # cat backbone P3 第14层，本层是concat层，[-1, 4]代表将上层和第4层的输出作为本层的输入。[1]代表concat拼接的维度是1。从上面的分析可知，上层的输出尺寸是80*80*512，第6层的输出是80*80*256，最终本层的输出尺寸为80*80*768。
  - [-1, 3, C2f, [256]]  # 15 (P3/8-small) 第15层，本层是C2f模块，可以参考第2层的讲解。3代表本层重复3次。256代表输出通道数。经过这层之后，特征图尺寸变为80*80*256，特征图的长宽已经变成输入图像的1/8。

  - [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]] # 第16层，进行卷积操作（256代表输出通道数，3代表卷积核大小k，2代表stride步长），输出特征图尺寸为40*40*256（卷积的参数都没变，所以都是长宽变成原来的1/2，和之前一样）。
  - [[-1, 12], 1, Concat, [1]]  # cat head P4 第17层，本层是concat层，[-1, 12]代表将上层和第12层的输出作为本层的输入。[1]代表concat拼接的维度是1。从上面的分析可知，上层的输出尺寸是40*40*256，第12层的输出是40*40*512，最终本层的输出尺寸为40*40*768。
  - [-1, 3, C2f, [512]]  # 18 (P4/16-medium) 第18层，本层是C2f模块，可以参考第2层的讲解。3代表本层重复3次。512代表输出通道数。经过这层之后，特征图尺寸变为40*40*512，特征图的长宽已经变成输入图像的1/16。

  - [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]] # 第19层，进行卷积操作（512代表输出通道数，3代表卷积核大小k，2代表stride步长），输出特征图尺寸为20*20*512（卷积的参数都没变，所以都是长宽变成原来的1/2，和之前一样）。
  - [[-1, 9], 1, Concat, [1]]  # cat head P5 第20层，本层是concat层，[-1, 9]代表将上层和第9层的输出作为本层的输入。[1]代表concat拼接的维度是1。从上面的分析可知，上层的输出尺寸是20*20*512，第9层的输出是20*20*1024，最终本层的输出尺寸为20*20*1536。
  - [-1, 3, C2f, [1024]]  # 21 (P5/32-large) 第21层，本层是C2f模块，可以参考第2层的讲解。3代表本层重复3次。1024代表输出通道数。经过这层之后，特征图尺寸变为20*20*1024，特征图的长宽已经变成输入图像的1/32。

  - [[15, 18, 21], 1, Detect, [nc]]  # Detect(P3, P4, P5) 第20层，本层是Detect层，[15, 18, 21]代表将第15、18、21层的输出（分别是80*80*256、40*40*512、20*20*1024）作为本层的输入。nc是数据集的类别数。

1. nc
含义： nc代表"number of classes"，即模型用于检测的对象类别总数。
示例中的值： 80表示该模型配置用于检测80种不同的对象。由于默认使用COCO数据集，这里nc=80；

2. scales
含义： scales用于定义模型的不同尺寸和复杂度，它包含一系列缩放参数。
子参数： n, s, m, l, x表示不同的模型尺寸，每个尺寸都有对应的depth（深度）、width（宽度）和max_channels（最大通道数）。
depth： 表示深度因子，用来控制一些特定模块的数量的，模块数量多网络深度就深；
width： 表示宽度因子，用来控制整个网络结构的通道数量，通道数量越多，网络就看上去更胖更宽；
max_channels： 最大通道数，为了动态地调整网络的复杂性。在 YOLO 的早期版本中，网络中的每个层都是固定的，这意味着每个层的通道数也是固定的。但在 YOLOv8 中，为了增加网络的灵活性并使其能够更好地适应不同的任务和数据集，引入了 max_channels 参数。

3. backbone
主干网络是模型的基础，负责从输入图像中提取特征。这些特征是后续网络层进行目标检测的基础。在YOLOv8中，主干网络采用了类似于CSPDarknet的结构。
含义： backbone部分定义了模型的基础架构，即用于特征提取的网络结构。
关键组成：
[from, repeats, module, args]表示层的来源、重复次数、模块类型和参数。
from：表示该模块的输入来源，如果为-1则表示来自于上一个模块的输出，如果为其他具体的值则表示从特定的模块中得到输入信息；
repeats: 这个参数用于指定一个模块或层应该重复的次数。例如，如果想让某个卷积层重复三次，你可以使用 repeats=3。
module: 这个参数用于指定要添加的模块或层的类型。例如，如果想添加一个卷积层，可以使用 conv 作为模块类型。
args: 这个参数用于传递给模块或层的特定参数。例如，如果想指定卷积层的滤波器数量，可以使用 args=[filters]。
Conv表示卷积层，其参数指定了输出通道数、卷积核大小和步长。
C2f可能是一个特定于YOLOv8的自定义模块。
SPPF是空间金字塔池化层，用于在多个尺度上聚合特征。

4. head
含义： head部分定义了模型的检测头，即用于最终目标检测的网络结构。
关键组成：
nn.Upsample表示上采样层，增加特征图的空间分辨率，用于放大特征图。
Concat表示连接层，特征图拼接，用于合并来自不同层的特征。
C2f层再次出现，可能用于进一步处理合并后的特征。
Detect层是最终的检测层，负责输出检测结果。

2 YOLOv8网络结构

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Backbone主干网络是模型的基础，负责从输入图像中提取特征。这些特征是后续网络层进行目标检测的基础。在YOLOv8中，主干网络采用了类似于CSPDarknet的结构。

Head头部网络是目标检测模型的决策部分，负责产生最终的检测结果。

Neck颈部网络位于主干网络和头部网络之间，它的作用是进行特征融合和增强。

其他细节：

ConvModule：包含卷积层、BN（批量归一化）和激活函数（如SiLU），用于提取特征。
DarknetBottleneck：通过residual connections增加网络深度，同时保持效率。
CSP Layer：CSP结构的变体，通过部分连接来提高模型的训练效率

输出的特征图大小计算公式：f_out = ((f_in - k + 2*p ) / s ) 向下取整 +1

Bbox Loss（边界框回归损失）用于计算预测边界框与真实边界框之间的差异。均方误差（MSE）是一个常用的损失函数，它在较大误差时赋予更高的惩罚，这有助于模型快速修正大的预测错误。因此，Bbox Loss计算预测与实际坐标之间的差异的平方和，其计算公式如下：
$Loss_{bbox}=\sum_{i=1}^N{(x_i-\hat{x}_i)^2}$
其中， ${x}_i$ 表示真实边界框的坐标， $\hat{x}_i$ 表示预测边界框的坐标。该损失函数作为优化目标，引导模型在训练过程中减少预测框和真实框之间的差距。

Cls Loss（分类损失）用于衡量模型预测的类别分布与真实标签之间的差异。交叉熵损失函数是分类任务中常用的一种损失函数，对于错误预测给出了很大的惩罚，尤其是在预测的概率和实际标签相差很大时。因此，Cls Loss帮助模型在分类问题中优化其预测，使预测概率分布尽可能接近真实的标签分布，其计算公式为：
$Loss_{cls}=-\sum_{c=1}^My_{o,c}log(p_o,c)$
其中， $y_{o,c}$ 是一个指示器。如果样本o属于类别c，则为1，反之为0。 $p_o$ 是模型预测样本o属于类别c的概率。

2.1 Conv


def autopad(k, p=None, d=1):  # kernel, padding, dilation
    # Pad to 'same' shape outputs
    if d > 1:
        k = d * (k - 1) + 1 if isinstance(k, int) else [d * (x - 1) + 1 for x in k]  # actual kernel-size
    if p is None:
        p = k // 2 if isinstance(k, int) else [x // 2 for x in k]  # auto-pad
    return p

class Conv(nn.Module):
    # Standard convolution with args(ch_in, ch_out, kernel, stride, padding, groups, dilation, activation)
    default_act = nn.SiLU()  # default activation

    def __init__(self, c1, c2, k=1, s=1, p=None, g=1, d=1, act=True):
        super().__init__()
        self.conv = nn.Conv2d(c1, c2, k, s, autopad(k, p, d), groups=g, dilation=d, bias=False)
        self.bn = nn.BatchNorm2d(c2)
        self.act = self.default_act if act is True else act if isinstance(act, nn.Module) else nn.Identity()

    def forward(self, x):
        return self.act(self.bn(self.conv(x)))

    def forward_fuse(self, x):
        return self.act(self.conv(x))

2.2 C3与C2f

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# 整个过程就是cv1接上了n个bottleneck模块再与cv2进行concat操作，最后在进行一次cv3的Conv。所以经过了C3模块，输出特征图尺寸是h*w*cout
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) #上图最左边的CBS模块
        self.cv2 = Conv(c1, c_, 1, 1) #上图中间的CBS模块
        self.cv3 = Conv(2 * c_, c2, 1)  # optional act=FReLU(c2) 上图最右边的CBS模块
        self.m = nn.Sequential(*(Bottleneck(c_, c_, shortcut, g, k=((1, 1), (3, 3)), e=1.0) for _ in range(n))) # 接上了n个Bottleneck模块

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

对比C3模块和C2f模块，可以看到C2f获得了更多的梯度流信息（参考了YOLOv7的ELAN模块的思想）：

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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) # 最左边的CBS模块
        self.cv2 = Conv((2 + n) * self.c, c2, 1)  # optional act=FReLU(c2) 最右边的CBS模块
        self.m = nn.ModuleList(Bottleneck(self.c, self.c, shortcut, g, k=((3, 3), (3, 3)), e=1.0) for _ in range(n)) # 接上了n个Bottleneck模块

    def forward(self, x):
    	# tensor.chunk(chunk数，维度)
        y = list(self.cv1(x).chunk(2, 1)) #先将输入特征图cv1卷积，然后chunk分2块
        y.extend(m(y[-1]) for m in self.m) #表示被切分的最后一块，即第二块，把第二块放进n个连续的Bottleneck里，加到y列表的尾部，y就变成了2+n块
        return self.cv2(torch.cat(y, 1)) #将y按第一维度拼接在一起，然后进行cv2卷积操作。

    def forward_split(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))

class Bottleneck(nn.Module):
    # Standard bottleneck
    def __init__(self, c1, c2, shortcut=True, g=1, k=(3, 3), e=0.5):  # ch_in, ch_out, shortcut, groups, kernels, expand
        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))

2.3 SPPF

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)
        y1 = self.m(x)
        y2 = self.m(y1)
        return self.cv2(torch.cat((x, y1, y2, self.m(y2)), 1))

2.4 Upsample

torch.nn.Upsample(size=None, scale_factor=None, mode='nearest', align_corners=None)

2.5 Detect层

class Detect(nn.Module):
    # YOLOv8 Detect head for detection models
    dynamic = False  # force grid reconstruction
    export = False  # export mode
    shape = None
    anchors = torch.empty(0)  # init
    strides = torch.empty(0)  # init

    def __init__(self, nc=80, ch=()):  # detection layer
        super().__init__()
        self.nc = nc  # number of classes
        self.nl = len(ch)  # number of detection layers
        self.reg_max = 16  # DFL channels (ch[0] // 16 to scale 4/8/12/16/20 for n/s/m/l/x)
        self.no = nc + self.reg_max * 4  # number of outputs per anchor
        self.stride = torch.zeros(self.nl)  # strides computed during build

        c2, c3 = max((16, ch[0] // 4, self.reg_max * 4)), max(ch[0], self.nc)  # channels
        self.cv2 = nn.ModuleList(
            nn.Sequential(Conv(x, c2, 3), Conv(c2, c2, 3), nn.Conv2d(c2, 4 * self.reg_max, 1)) for x in ch)
        self.cv3 = nn.ModuleList(nn.Sequential(Conv(x, c3, 3), Conv(c3, c3, 3), nn.Conv2d(c3, self.nc, 1)) for x in ch)
        self.dfl = DFL(self.reg_max) if self.reg_max > 1 else nn.Identity()

    def forward(self, x):
        shape = x[0].shape  # BCHW
        for i in range(self.nl):
            x[i] = torch.cat((self.cv2[i](x[i]), self.cv3[i](x[i])), 1)
        if self.training:
            return x
        elif self.dynamic or self.shape != shape:
            self.anchors, self.strides = (x.transpose(0, 1) for x in make_anchors(x, self.stride, 0.5))
            self.shape = shape

        if self.export and self.format == 'edgetpu':  # FlexSplitV ops issue
            x_cat = torch.cat([xi.view(shape[0], self.no, -1) for xi in x], 2)
            box = x_cat[:, :self.reg_max * 4]
            cls = x_cat[:, self.reg_max * 4:]
        else:
            box, cls = torch.cat([xi.view(shape[0], self.no, -1) for xi in x], 2).split((self.reg_max * 4, self.nc), 1)
        dbox = dist2bbox(self.dfl(box), self.anchors.unsqueeze(0), xywh=True, dim=1) * self.strides
        y = torch.cat((dbox, cls.sigmoid()), 1)
        return y if self.export else (y, x)

    def bias_init(self):
        # Initialize Detect() biases, WARNING: requires stride availability
        m = self  # self.model[-1]  # Detect() module
        # cf = torch.bincount(torch.tensor(np.concatenate(dataset.labels, 0)[:, 0]).long(), minlength=nc) + 1
        # ncf = math.log(0.6 / (m.nc - 0.999999)) if cf is None else torch.log(cf / cf.sum())  # nominal class frequency
        for a, b, s in zip(m.cv2, m.cv3, m.stride):  # from
            a[-1].bias.data[:] = 1.0  # box
            b[-1].bias.data[:m.nc] = math.log(5 / m.nc / (640 / s) ** 2)  # cls (.01 objects, 80 classes, 640 img)

class DFL(nn.Module):
    # Integral module of Distribution Focal Loss (DFL) proposed in Generalized Focal Loss https://ieeexplore.ieee.org/document/9792391
    def __init__(self, c1=16):
        super().__init__()
        self.conv = nn.Conv2d(c1, 1, 1, bias=False).requires_grad_(False)
        x = torch.arange(c1, dtype=torch.float)
        self.conv.weight.data[:] = nn.Parameter(x.view(1, c1, 1, 1))
        self.c1 = c1

    def forward(self, x):
        b, c, a = x.shape  # batch, channels, anchors
        return self.conv(x.view(b, 4, self.c1, a).transpose(2, 1).softmax(1)).view(b, 4, a)
        # return self.conv(x.view(b, self.c1, 4, a).softmax(1)).view(b, 4, a)