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本文作者：江大白
https://zhuanlan.zhihu.com/p/172121380
本文已由原作者授權，不得擅自二次轉載
本文是對YOLOV5的基礎系列，如果你想進一步學習YOLOV5，可以關注公眾號即將釋出的YOLOV5後續文章！
之前已經對Yolov4的相關基礎知識做了比較系統的梳理（深入淺出Yolov3和Yolov4），但Yolov4後不久，又出現了Yolov5，雖然作者沒有放上和Yolov4的直接測試對比，但在COCO資料集的測試效果還是很可觀的。
很多人考慮到Yolov5的創新性不足，對演算法是否能夠進化，稱得上Yolov5而議論紛紛。
但既然稱之為Yolov5，也有很多非常不錯的地方值得我們學習。不過因為Yolov5的網路結構和Yolov3、Yolov4相比，不好視覺化，導致很多同學看Yolov5看的雲裡霧裡。
因此本文，大白主要對Yolov5四種網路結構的各個細節做一個深入淺出的分析總結，和大家一些探討學習。
版權申明：本文包含圖片，都為大白使用PPT所繪製的，如需網路結構高畫質圖和模型權重，可點選檢視下載（https://blog.csdn.net/nan355655600/article/details/107852288）。
本文目錄
1 Yolov5 四種網路模型
1.1 Yolov5網路結構圖
1.2 網路結構視覺化1.2.1 Yolov5s網路結構1.2.2 Yolov5m網路結構1.2.3 Yolov5l網路結構1.2.4 Yolov5x網路結構2 核心基礎內容
2.1 Yolov3&Yolov4網路結構圖
2.2 Yolov5核心基礎內容2.2.1 輸入端2.2.2 Backbone2.2.3 Neck2.2.4 輸出端2.3 Yolov5四種網路結構的不同點
2.3.1 四種結構的引數2.3.2 Yolov5網路結構2.3.3 Yolov5四種網路的深度2.3.4 Yolov5四種網路的寬度3 Yolov5相關論文及程式碼
4 小目標分割檢測
5 後語
1 Yolov5四種網路模型
Yolov5官方程式碼中，給出的目標檢測網路中一共有4個版本，分別是Yolov5s、Yolov5m、Yolov5l、Yolov5x四個模型。
學習一個新的演算法，最好在腦海中對演算法網路的整體架構有一個清晰的理解。
但比較尷尬的是，Yolov5程式碼中給出的網路檔案是yaml格式，和原本Yolov3、Yolov4中的cfg不同。
因此無法用netron工具直接視覺化的檢視網路結構，造成有的同學不知道如何去學習這樣的網路。
比如下載了Yolov5的四個pt格式的權重模型：
但因為netron對pt格式的檔案相容性並不好，直接使用netron工具開啟，會發現，根本無法顯示全部網路。
因此可以採用pt->onnx->netron的折中方式，先使用Yolov5程式碼中models/export.py指令碼將pt檔案轉換為onnx格式，再用netron工具開啟，這樣就可以看全網路的整體架構了。
如需下載Yolov5整體的4個網路pt檔案及onnx檔案，也可點選連結檢視下載，便於直觀的學習。
1.1 Yolov5網路結構圖
安裝好netron工具，就可以視覺化的開啟Yolov5的網路結構。
這裡大白也和之前講解Yolov3&Yolov4同樣的方式，繪製了Yolov5s整體的網路結構圖，配合netron的視覺化網路結構檢視，腦海中的架構會更加清晰。
本文也會以Yolov5s的網路結構為主線，講解與其他三個模型（Yolov5m、Yolov5l、Yolov5x）的不同點，讓大家對於Yolov5有一個深入淺出的瞭解。
1.2 網路結構視覺化
將四種模型pt檔案的轉換成對應的onnx檔案後，即可使用netron工具檢視。
但是，有些同學可能不方便，使用指令碼轉換檢視。
因此，大白也上傳了每個網路結構圖的圖片，也可以直接點選檢視。
雖然沒有netron工具更直觀，但是也可以學習瞭解。
1.2.1 Yolov5s網路結構
Yolov5s網路是Yolov5系列中深度最小，特徵圖的寬度最小的網路。後面的3種都是在此基礎上不斷加深，不斷加寬。
上圖繪製出的網路結構圖也是Yolov5s的結構，大家也可直接點選檢視，Yolov5s的網路結構視覺化的圖片。
1.2.2 Yolov5m網路結構
此處也放上netron開啟的Yolov5m網路結構可檢視，點選即可檢視，後面第二版塊會詳細說明不同模型的不同點。
1.2.3 Yolov5l網路結構
此處也放上netronx開啟的Yolov5l網路結構可檢視，點選即可檢視。
1.2.4 Yolov5x網路結構
此處也放上netronx開啟的Yolov5x網路結構可檢視，點選即可檢視。
2 核心基礎內容
2.1 Yolov3&Yolov4網路結構圖
2.1.1 Yolov3網路結構圖
Yolov3的網路結構是比較經典的one-stage結構，分為輸入端、Backbone、Neck和Prediction四個部分。
大白在之前的《深入淺出Yolo系列之Yolov3&Yolov4核心基礎知識完整講解》中講了很多，這裡不多說，還是放上繪製的Yolov3的網路結構圖。
2.1.2 Yolov4網路結構圖
Yolov4在Yolov3的基礎上進行了很多的創新。
比如
輸入端
採用mosaic資料增強，
Backbone上
採用了CSPDarknet53、Mish啟用函式、Dropblock等方式，
Neck中
採用了SPP、FPN+PAN的結構，
輸出端
則採用CIOU_Loss、DIOU_nms操作。
因此Yolov4對Yolov3的各個部分都進行了很多的整合創新，關於Yolov4詳細的講解還是可以參照大白之前寫的《深入淺出Yolo系列之Yolov3&Yolov4核心基礎知識完整講解》，寫的比較詳細。
2.2 Yolov5核心基礎內容
Yolov5的結構和Yolov4很相似，但也有一些不同，大白還是按照從整體到細節的方式，對每個板塊進行講解。
上圖即Yolov5的網路結構圖，可以看出，還是分為輸入端、Backbone、Neck、Prediction四個部分。
大家可能對Yolov3比較熟悉，因此大白列舉它和Yolov3的一些主要的不同點，並和Yolov4進行比較。
（1）輸入端：
Mosaic資料增強、自適應錨框計算
（2）Backbone：
Focus結構，CSP結構
（3）Neck：
FPN+PAN結構
（4）Prediction：
GIOU_Loss
下面丟上Yolov5作者的演算法效能測試圖：
Yolov5作者也是在COCO資料集上進行的測試，大白在之前的文章講過，COCO資料集的小目標占比，因此最終的四種網路結構，效能上來說各有千秋。
Yolov5s網路最小，速度最少，AP精度也最低。但如果檢測的以大目標為主，追求速度，倒也是個不錯的選擇。
其他的三種網路，在此基礎上，不斷加深加寬網路，AP精度也不斷提升，但速度的消耗也在不斷增加。
2.2.1 輸入端
（1）Mosaic資料增強
Yolov5的輸入端採用了和Yolov4一樣的Mosaic資料增強的方式。
Mosaic資料增強提出的作者也是來自Yolov5團隊的成員，不過，隨機縮放、隨機裁剪、隨機排布的方式進行拼接，對於小目標的檢測效果還是很不錯的。
Mosaic資料增強的內容在之前《深入淺出Yolo系列之Yolov3&Yolov4核心基礎知識完整講解》文章中寫的很詳細，詳情可以檢視之前的內容。
（2） 自適應錨框計算
在Yolo演算法中，針對不同的資料集，都會有初始設定長寬的錨框。
在網路訓練中，網路在初始錨框的基礎上輸出預測框，進而和真實框groundtruth進行比對，計算兩者差距，再反向更新，迭代網路引數。
因此初始錨框也是比較重要的一部分，比如Yolov5在Coco資料集上初始設定的錨框：
但Yolov5中將此功能嵌入到程式碼中，每次訓練時，自適應的計算不同訓練集中的最佳錨框值。
當然，如果覺得計算的錨框效果不是很好，也可以在程式碼中將自動計算錨框功能關閉。
控制的程式碼即train.py中上面一行程式碼，設定成False，每次訓練時，不會自動計算。
（3）自適應圖片縮放
在常用的目標檢測演算法中，不同的圖片長寬都不相同，因此常用的方式是將原始圖片統一縮放到一個標準尺寸，再送入檢測網路中。
比如Yolo演算法中常用416*416，608*608等尺寸，比如對下面800*600的影象進行縮放。
但Yolov5程式碼中對此進行了改進，也是Yolov5推理速度能夠很快的一個不錯的trick。
作者認為，在專案實際使用時，很多圖片的長寬比不同，因此縮放填充後，兩端的黑邊大小都不同，而如果填充的比較多，則存在資訊冗餘，影響推理速度。
因此在Yolov5的程式碼中datasets.py的letterbox函式中進行了修改，對原始影象自適應的新增最少的黑邊。
影象高度上兩端的黑邊變少了，在推理時，計算量也會減少，即目標檢測速度會得到提升。
這種方式在之前github上Yolov3中也進行了討論：https://github.com/ultralytics/yolov3/issues/232
在討論中，透過這種簡單的改進，推理速度得到了37%的提升，可以說效果很明顯。
但是有的同學可能會有大大的問號？？如何進行計算的呢？大白按照Yolov5中的思路詳細的講解一下，在datasets.py的letterbox函式中也有詳細的程式碼。
第一步：計算縮放比例
原始縮放尺寸是416*416，都除以原始影象的尺寸後，可以得到0.52，和0.69兩個縮放係數，選擇小的縮放係數。
第二步：計算縮放後的尺寸
原始圖片的長寬都乘以最小的縮放係數0.52，寬變成了416，而高變成了312。
第三步：計算黑邊填充數值
將416-312=104，得到原本需要填充的高度。再採用numpy中np.mod取餘數的方式，得到40個畫素，再除以2，即得到圖片高度兩端需要填充的數值。
此外，需要注意的是：
a.這裡大白填充的是黑色，即（0，0，0），而Yolov5中填充的是灰色，即（114,114,114），都是一樣的效果。
b.訓練時沒有采用縮減黑邊的方式，還是採用傳統填充的方式，即縮放到416*416大小。只是在測試，使用模型推理時，才採用縮減黑邊的方式，提高目標檢測，推理的速度。
2.2.2 Backbone
（1）Focus結構
Focus結構，在Yolov3&Yolov4中並沒有這個結構，其中比較關鍵是切片操作。
比如右圖的切片示意圖，4*4*3的影象切片後變成3*3*12的特徵圖。
以Yolov5s的結構為例，原始608*608*3的影象輸入Focus結構，採用切片操作，先變成304*304*12的特徵圖，再經過一次32個卷積核的卷積操作，最終變成304*304*32的特徵圖。
需要注意的是：Yolov5s的Focus結構最後使用了32個卷積核，而其他三種結構，使用的數量有所增加，先注意下，後面會講解到四種結構的不同點。
（2）CSP結構
Yolov4網路結構中，借鑑了CSPNet的設計思路，在主幹網路中設計了CSP結構。
Yolov5與Yolov4不同點在於，Yolov4中只有主幹網路使用了CSP結構。
而Yolov5中設計了兩種CSP結構，以Yolov5s網路為例，CSP1_X結構應用於Backbone主幹網路，另一種CSP2_X結構則應用於Neck中。
這裡關於CSPNet的內容，也可以檢視大白之前的《深入淺出Yolo系列之Yolov3&Yolov4核心基礎完整講解》。
2.2.3 Neck
Yolov5現在的Neck和Yolov4中一樣，都採用FPN+PAN的結構，但在Yolov5剛出來時，只使用了FPN接面構，後面才增加了PAN結構，此外網路中其他部分也進行了調整。
因此，大白在Yolov5剛提出時，畫的很多結構圖，又都重新進行了調整。
這裡關於FPN+PAN的結構，大白在《深入淺出Yolo系列之Yolov3&Yolov4核心基礎知識完整講解》中，講的很多，大家應該都有理解。
但如上面CSPNet結構中講到，Yolov5和Yolov4的不同點在於，
Yolov4的Neck結構中，採用的都是普通的卷積操作。而Yolov5的Neck結構中，採用借鑑CSPnet設計的CSP2結構，加強網路特徵融合的能力。
2.2.4 輸出端
（1）Bounding box損失函式
在《深入淺出Yolo系列之Yolov3&Yolov4核心基礎知識完整講解》中，大白詳細的講解了IOU_Loss，以及進化版的GIOU_Loss，DIOU_Loss，以及CIOU_Loss。
Yolov5中採用其中的GIOU_Loss做Bounding box的損失函式。
而Yolov4中採用CIOU_Loss作為目標Bounding box的損失，如果採用CIOU_Loss，應該會有更快更好的收斂效果。
（2）nms非極大值抑制
在目標檢測的後處理過程中，針對很多目標框的篩選，通常需要nms操作。
Yolov4在DIOU_Loss的基礎上採用DIOU_nms的方式，而Yolov5中仍然採用普通的nms的方式。
可以看出，下方中間箭頭的黃色部分，原本被遮擋的摩托車也可以檢出。
大白在專案中，也採用了DIOU_nms的方式，在同樣的引數情況下，將nms中IOU修改成DIOU_nms。對於一些遮擋重疊的目標，確實會有一些改進。
比如下面黃色箭頭部分，原本兩個人重疊的部分，在引數和普通的IOU_nms一致的情況下，修改成DIOU_nms，可以將兩個目標檢出。
雖然大多數狀態下效果差不多，但在不增加計算成本的情況下，有稍微的改進也是好的。
2.3 Yolov5四種網路結構的不同點
Yolov5程式碼中的四種網路，和之前的Yolov3，Yolov4中的cfg檔案不同，都是以yaml的形式來呈現。
而且四個檔案的內容基本上都是一樣的，只有最上方的depth_multiple和width_multiple兩個引數不同，很多同學看的一臉懵逼，不知道只通過兩個引數是如何控制四種結構的？
2.3.1 四種結構的引數
大白先取出Yolov5程式碼中，每個網路結構的兩個引數：
（1）Yolov5s.yaml
（2）Yolov5m.yaml
（3）Yolov5l.yaml
（4）Yolov5x.yaml
四種結構就是透過上面的兩個引數，來進行控制網路的深度和寬度。其中depth_multiple控制網路的深度，width_multiple控制網路的寬度。
2.3.2 Yolov5網路結構
四種結構的yaml檔案中，下方的網路架構程式碼都是一樣的。
為了便於講解，大白將其中的Backbone部分提取出來，講解如何控制網路的寬度和深度，yaml檔案中的Head部分也是同樣的原理。
在對網路結構進行解析時，yolo.py中下方的這一行程式碼將四種結構的depth_multiple，width_multiple提取出，賦值給gd，gw。後面主要對這gd，gw這兩個引數進行講解。
下面再細緻的剖析下，看是如何控制每種結構，深度和寬度的。
2.3.3 Yolov5四種網路的深度
（1）不同網路的深度
在上圖中，大白畫了兩種CSP結構，CSP1和CSP2，其中CSP1結構主要應用於Backbone中，CSP2結構主要應用於Neck中。
需要注意的是，四種網路結構中每個CSP結構的深度都是不同的。
a.以yolov5s為例，第一個CSP1中，使用了1個殘差元件，因此是CSP1_1。而在Yolov5m中，則增加了網路的深度，在第一個CSP1中，使用了2個殘差元件，因此是CSP1_2。
而Yolov5l中，同樣的位置，則使用了3個殘差元件，Yolov5x中，使用了4個殘差元件。
其餘的第二個CSP1和第三個CSP1也是同樣的原理。
b.在第二種CSP2結構中也是同樣的方式，以第一個CSP2結構為例，Yolov5s中使用了3個殘差元件，因此是CSP2_3。
而Yolov5m中使用了5個，Yolov5l中使用了7個，Yolov5x中使用了9個。
其他的四個CSP2結構，也是同理。
Yolov5中，網路的不斷加深，也在不斷增加網路特徵提取和特徵融合的能力。
（2）控制深度的程式碼
控制四種網路結構的核心程式碼是yolo.py中下面的程式碼，存在兩個變數，n和gd。
我們再將n和gd帶入計算，看每種網路的變化結果。
（3）驗證控制深度的有效性
我們選擇最小的yolov5s.yaml和中間的yolov5l.yaml兩個網路結構，將gd(height_multiple)係數帶入，看是否正確。
其中height_multiple=0.33，即gd=0.33，而n則由上面紅色框中的資訊獲得。
以上面網路框圖中的第一個CSP1為例，即上面的第一個紅色框。n等於第二個數值3。
而gd=0.33，帶入（2）中的計算程式碼，結果n=1。因此第一個CSP1結構內只有1個殘差元件，即CSP1_1。
第二個CSP1結構中，n等於第二個數值9，而gd=0.33，帶入（2）中計算，結果n=3，因此第二個CSP1結構中有3個殘差元件，即CSP1_3。
第三個CSP1結構也是同理，這裡不多說。
b. yolov5l.xml
其中height_multiple=1，即gd=1
和上面的計算方式相同，第一個CSP1結構中，n=1，帶入程式碼中，結果n=3，因此為CSP1_3。
下面第二個CSP1和第三個CSP1結構都是同樣的原理。
2.3.4 Yolov5四種網路的寬度
（1）不同網路的寬度:
如上圖表格中所示，四種yolov5結構在不同階段的卷積核的數量都是不一樣的，因此也直接影響卷積後特徵圖的第三維度，即厚度，大白這裡表示為網路的寬度。
a.以Yolov5s結構為例，第一個Focus結構中，最後卷積操作時，卷積核的數量是32個，因此經過Focus結構，特徵圖的大小變成304*304*32。
而yolov5m的Focus結構中的卷積操作使用了48個卷積核，因此Focus結構後的特徵圖變成304*304*48。yolov5l，yolov5x也是同樣的原理。
b. 第二個卷積操作時，yolov5s使用了64個卷積核，因此得到的特徵圖是152*152*64。而yolov5m使用96個特徵圖，因此得到的特徵圖是152*152*96。yolov5l，yolov5x也是同理。
c. 後面三個卷積下采樣操作也是同樣的原理，這樣大白不過多講解。
四種不同結構的卷積核的數量不同，這也直接影響網路中，比如CSP1，CSP2等結構，以及各個普通卷積，卷積操作時的卷積核數量也同步在調整，影響整體網路的計算量。
大家最好可以將結構圖和前面第一部分四個網路的特徵圖連結，對應檢視，思路會更加清晰。
當然卷積核的數量越多，特徵圖的厚度，即寬度越寬，網路提取特徵的學習能力也越強。
（2）控制寬度的程式碼
在yolov5的程式碼中，控制寬度的核心程式碼是yolo.py檔案裡面的這一行：
它所呼叫的子函式make_divisible的功能是：
（3）驗證控制寬度的有效性
我們還是選擇最小的yolov5s和中間的yolov5l兩個網路結構，將width_multiple係數帶入，看是否正確。
a. yolov5x.yaml
其中width_multiple=0.5，即gw=0.5。
以第一個卷積下采樣為例，即Focus結構中下面的卷積操作。
按照上面Backbone的資訊，我們知道Focus中，標準的c2=64，而gw=0.5，代入（2）中的計算公式，最後的結果=32。即Yolov5s的Focus結構中，卷積下采樣操作的卷積核數量為32個。
再計算後面的第二個卷積下采樣操作，標準c2的值=128，gw=0.5，代入（2）中公式，最後的結果=64，也是正確的。
b. yolov5l.yaml
其中width_multiple=1，即gw=1，而標準的c2=64，代入上面（2）的計算公式中，可以得到Yolov5l的Focus結構中，卷積下采樣操作的卷積核的數量為64個，而第二個卷積下采樣的卷積核數量是128個。
另外的三個卷積下采樣操作，以及yolov5m，yolov5x結構也是同樣的計算方式，大白這裡不過多解釋。
3 Yolov5相關論文及程式碼
3.1 程式碼
Yolov5的作者並沒有發表論文，因此只能從程式碼角度進行分析。
Yolov5程式碼：github.com/ultralytics/
大家可以根據網頁的說明，下載訓練，及測試，流程還是比較簡單的。
3.2 相關論文
另外一篇論文，PP-Yolo，在Yolov3的原理上，採用了很多的tricks調參方式，也挺有意思。
感興趣的話可以參照另一個博主的文章：點選檢視
4 小目標分割檢測
目標檢測發展很快，但對於小目標的檢測還是有一定的瓶頸，特別是大解析度影象小目標檢測。比如7920*2160，甚至16000*16000的影象。
影象的解析度很大，但又有很多小的目標需要檢測。但是如果直接輸入檢測網路，比如yolov3，檢出效果並不好。
主要原因是：
（1）小目標尺寸
以網路的輸入608*608為例，yolov3、yolov4，yolov5中下采樣都使用了5次，因此最後的特徵圖大小是19*19，38*38，76*76。
三個特徵圖中，最大的76*76負責檢測小目標，而對應到608*608上，每格特徵圖的感受野是608/76=8*8大小。
再將608*608對應到7680*2160上，以最長邊7680為例，7680/608*8=101。
即如果原始影象中目標的寬或高小於101畫素，網路很難學習到目標的特徵資訊。
（PS：這裡忽略多尺度訓練的因素及增加網路檢測分支的情況）
（2）高解析度
而在很多遙感影象中，長寬比的解析度比7680*2160更大，比如上面的16000*16000，如果採用直接輸入原圖的方式，很多小目標都無法檢測出。
（3）顯示卡爆炸
很多影象解析度很大，如果簡單的進行下采樣，下采樣的倍數太大，容易丟失資料資訊。
但是倍數太小，網路前向傳播需要在記憶體中儲存大量的特徵圖，極大耗盡GPU資源,很容易發生視訊記憶體爆炸，無法正常的訓練及推理。
因此可以借鑑2018年YOLT演算法的方式，改變一下思維，對大解析度圖片先進行分割，變成一張張小圖，再進行檢測。
需要注意的是：
為了避免兩張小圖之間，一些目標正好被分割截斷，所以兩個小圖之間設定overlap重疊區域，比如分割的小圖是960*960畫素大小，則overlap可以設定為960*20%=192畫素。
每個小圖檢測完成後，再將所有的框放到大圖上，對大圖整體做一次nms操作，將重疊區域的很多重複框去除。
這樣操作，可以將很多小目標檢出，比如16000*16000畫素的遙感影象。
無人機視角下，也有很多小的目標。大白也進行了測試，效果還是不錯的。
比如下圖是將原始大圖->416*416大小，直接使用目標檢測網路輸出的效果：
可以看到中間黃色框區域，很多汽車檢測漏掉。
再使用分割的方式，將大圖先分割成小圖，再對每個小圖檢測，可以看出中間區域很多的汽車都被檢測出來：
不過這樣的方式有優點也有缺點：
優點：
（1）準確性
分割後的小圖，再輸入目標檢測網路中，對於最小目標畫素的下限會大大降低。
比如分割成608*608大小，送入輸入影象大小608*608的網路中，按照上面的計算方式，原始圖片上，長寬大於8個畫素的小目標都可以學習到特徵。
（2）檢測方式
在大解析度影象，比如遙感影象，或者無人機影象，如果無需考慮實時性的檢測，且對小目標檢測也有需求的專案，可以嘗試此種方式。
缺點：
（1）增加計算量
比如原本7680*2160的影象，如果使用直接大圖檢測的方式，一次即可檢測完。
但採用分割的方式，切分成N張608*608大小的影象，再進行N次檢測，會大大增加檢測時間。
借鑑Yolov5的四種網路方式，我們可以採用儘量輕的網路，比如Yolov5s網路結構或者更輕的網路。
當然Yolov4和Yolov5的網路各有優勢，我們也可以借鑑Yolov5的設計方式，對Yolov4進行輕量化改造，或者進行剪枝。
5 後語
綜合而言，在實際測試中，Yolov4的準確性有不錯的優勢，但Yolov5的多種網路結構使用起來更加靈活，我們可以根據不同的專案需求，取長補短，發揮不同檢測網路的優勢。
希望在人工智慧的道路上，和大家共同進步。
下載
在CVer公眾號後回覆：YOLOv5，即可下載程式碼
下載1
在CVer公眾號後臺回覆：PRML，即可下載758頁《模式識別和機器學習》PRML電子書和原始碼。該書是機器學習領域中的第一本教科書，全面涵蓋了該領域重要的知識點。本書適用於機器學習、計算機視覺、自然語言處理、統計學、電腦科學、訊號處理等方向。
PRML
下載2
在CVer公眾號後臺回覆：CVPR2020，即可下載CVPR2020 2020程式碼開源的論文合集
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