YOLOv5 | 涨点复现！YOLOv5添加BiFPN有效提升目标检测精度

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介绍：

BiFPN

代码实现

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介绍：

模型效率在计算机视觉中变得越来越重要。在本文中，我们系统地研究了用于目标检测的神经网络架构设计选择，并提出了几个提高效率的关键优化。首先，我们提出了一种加权双向特征金字塔网络（BiFPN），它可以轻松快速地进行多尺度特征融合；其次，我们提出了一种复合缩放方法，可以同时统一缩放所有主干网络、特征网络和框/类预测网络的分辨率、深度和宽度。基于这些优化和 EfficientNet 主干，我们开发了一个新的目标检测器系列，称为 EfficientDet，它在各种资源限制下始终实现比现有技术更高的效率。特别是，通过单模型和单尺度，我们的 EfficientDetD7 在 COCO 测试开发上实现了最先进的 52.2 AP，具有 52M 参数和 325B FLOPs1，比以前小 4 至 9 倍，使用的 FLOP 数减少 13 至 42 倍探测器。

BiFPN

BiFPN结构图

特征金字塔网络（FPN）最初被引入来应对这个挑战。FPN通过构建一个多层次的特征金字塔，其中包含从粗到细的特征图。这些特征图具有不同的分辨率，允许模型在多个尺度上进行检测。

然而，传统的FPN存在一个问题，即信息流只能沿着金字塔的一个方向传播，通常是从高分辨率到低分辨率。这意味着在检测物体时，粗糙特征图中的细节信息可能会丢失，从而影响准确性。

BIFPN通过引入双向连接来解决这个问题。它允许特征图之间的信息在多个尺度之间双向传播，这意味着不仅可以从粗糙特征图传播到细粒度特征图，而且反之亦然。这样，模型可以更全面地捕捉到各种尺度下的特征信息，从而提高了目标检测和实例分割任务的性能。

具体来说，BIFPN的原理包括以下几个关键点：

1. 双向连接：BIFPN引入了特征金字塔层之间的双向连接，允许信息在不同尺度之间双向传播。

2. 特征融合：在双向连接的基础上，BIFPN执行特征融合操作，将不同尺度的特征图结合起来，以产生更具表征性的特征。

3. 信息传播：双向连接使得底层特征图可以通过上层特征图获取更高级的语义信息，同时，上层特征图也可以通过底层特征图获得更精确的位置信息。

4. 多尺度特征：BIFPN产生的特征图具有多个尺度的特征信息，这有助于模型对于不同尺度物体的检测。

总体来说，BIFPN通过引入双向连接和特征融合操作，允许信息在多个尺度之间进行更全面和有效的传播，从而提高了目标检测和实例分割模型的性能。

代码实现

步骤1：在common.py中添加BiFPN模块

将下面BiFPN模块 的代码复制粘贴到common.py文件的末尾。

# BiFPN 
# 两个特征图add操作
class BiFPN_Add2(nn.Module):
    def __init__(self, c1, c2):
        super(BiFPN_Add2, self).__init__()
        # 设置可学习参数 nn.Parameter的作用是：将一个不可训练的类型Tensor转换成可以训练的类型parameter
        # 并且会向宿主模型注册该参数 成为其一部分 即model.parameters()会包含这个parameter
        # 从而在参数优化的时候可以自动一起优化
        self.w = nn.Parameter(torch.ones(2, dtype=torch.float32), requires_grad=True)
        self.epsilon = 0.0001
        self.conv = nn.Conv2d(c1, c2, kernel_size=1, stride=1, padding=0)
        self.silu = nn.SiLU()
 
    def forward(self, x):
        w = self.w
        weight = w / (torch.sum(w, dim=0) + self.epsilon)
        return self.conv(self.silu(weight[0] * x[0] + weight[1] * x[1]))
 
 
# 三个特征图add操作
class BiFPN_Add3(nn.Module):
    def __init__(self, c1, c2):
        super(BiFPN_Add3, self).__init__()
        self.w = nn.Parameter(torch.ones(3, dtype=torch.float32), requires_grad=True)
        self.epsilon = 0.0001
        self.conv = nn.Conv2d(c1, c2, kernel_size=1, stride=1, padding=0)
        self.silu = nn.SiLU()
 
    def forward(self, x):
        w = self.w
        weight = w / (torch.sum(w, dim=0) + self.epsilon)  
        # Fast normalized fusion
        return self.conv(self.silu(weight[0] * x[0] + weight[1] * x[1] + weight[2] * x[2]))

步骤2：在yolo.py文件中加入类名

在yolo.py文件 的parse_model函数 中找到 elif m is Conat: 语句，在其后面加上下列语句：

# 添加bifpn_add结构
elif m in [BiFPN_Add2, BiFPN_Add3]:
    c2 = max([ch[x] for x in f])

步骤3：创建自定义yaml文件

然后将yaml文件 中所有Concat 换成BiFPN_Add。

yaml文件修改后的完整代码如下：

# YOLOv5 🚀 by Ultralytics, GPL-3.0 license
 
# Parameters
nc: 80  # number of classes
depth_multiple: 0.33  # model depth multiple
width_multiple: 0.50  # layer channel multiple
anchors:
  - [10,13, 16,30, 33,23]  # P3/8
  - [30,61, 62,45, 59,119]  # P4/16
  - [116,90, 156,198, 373,326]  # P5/32
 
# 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
  ]
 
# YOLOv5 v6.1 BiFPN head
head:
  [[-1, 1, Conv, [512, 1, 1]],
   [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']],
   [[-1, 6], 1, BiFPN_Add2, [256, 256]],  # cat backbone P4
   [-1, 3, C3, [512, False]],  # 13
 
   [-1, 1, Conv, [256, 1, 1]],
   [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']],
   [[-1, 4], 1, BiFPN_Add2, [128, 128]],  # cat backbone P3
   [-1, 3, C3, [256, False]],  # 17 
 
   [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]],  
   [[-1, 13, 6], 1, BiFPN_Add3, [256, 256]],  #v5s通道数是默认参数的一半
   [-1, 3, C3, [512, False]],  # 20 
 
   [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]],
   [[-1, 10], 1, BiFPN_Add2, [256, 256]],  # cat head P5
   [-1, 3, C3, [1024, False]],  # 23 
 
   [[17, 20, 23], 1, Detect, [nc, anchors]],  # Detect(P3, P4, P5)
  ]

步骤4：验证是否加入成功

在yolo.py文件 里，配置我们刚才自定义的yolov5s_BiFPN.yaml

然后运行yolo.py，得到结果。

由运行结果可以看到，所有Concat 已被换成了BiFPN_Add。

这样就算添加成功了。🎉🎉🎉

步骤5：修改train.py

首先找到train.py文件 中的 #Optimizer，加入下列代码：

    g0, g1, g2 = [], [], []  # optimizer parameter groups
    for v in model.modules():
        if hasattr(v, 'bias') and isinstance(v.bias, nn.Parameter):  # bias
            g2.append(v.bias)
        if isinstance(v, nn.BatchNorm2d):  # weight (no decay)
            g0.append(v.weight)
        elif hasattr(v, 'weight') and isinstance(v.weight, nn.Parameter):  # weight (with decay)
            g1.append(v.weight)
        # BiFPN_Concat
        elif isinstance(v, BiFPN_Add2) and hasattr(v, 'w') and isinstance(v.w, nn.Parameter):
            g1.append(v.w)
        elif isinstance(v, BiFPN_Add3) and hasattr(v, 'w') and isinstance(v.w, nn.Parameter):
            g1.append(v.w)

此时，会出现报错提示，原因是我们没有导入相应的包。

接下来，我们就导入相应的包

导入完毕后，我们可以看到：报错消失了！

然后，在train.py文件 中找到 parse_opt函数 ，然后将第二行 ' --cfg ' 的default改为 ' models/yolov5s_BiFPN.yaml '，然后就可以开始进行训练了。

现在就完全修改成功了，快去试试吧