YOLO系列目标检测算法-Scaled-YOLOv4

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本文总结：

1. 提出一种网络缩放方法，使得基于CSP的YOLOv4可以上下伸缩，以适用于大型/小型网络；
2. 将CSP应用到各式CNN中，可以减少参数和计算量，提高准确性，减少推理时间，因此CSP化了Backbone、neck和SPP；
3. 分别分析了对于低端设备和高端设备对模型缩放的研究；
4. 对于小型模型，限制计算复杂度小于O(whkb^2)，选择使用OSANet，并CSP化，得到CSPOSANet；最小化/平衡特征图的大小，在CSPOSANet的计算块之间执行梯度截断，并将它们分割为通道数相等的两条路径；当Cin=Cout时的内存访问成本MAC最小，所以卷积前后保持相同的通道数；
5. 对于大型模型，能更好地预测物体大小的能力基本上取决于特征向量的感受野，与感受野最直接相关的是stage，分析多个因素对感受野的影响后得出，{$siz{e}^{input}$,#stage}的组合效果最好。因此，在执行缩放时，首先对$siz{e}^{input}$、#stage执行复合缩放，然后根据实时要求，分别对深度和宽度执行缩放；将一个完全CSP化的YOLOv4-P5，通过缩放，并将其扩展到YOLOv4-P6和YOLOv4-P7；

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深度学习知识点总结

专栏链接:
https://blog.csdn.net/qq_39707285/article/details/124005405
此专栏主要总结深度学习中的知识点，从各大数据集比赛开始，介绍历年冠军算法；同时总结深度学习中重要的知识点，包括损失函数、优化器、各种经典算法、各种算法的优化策略Bag of Freebies (BoF)等。

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6. YOLO系列目标检测算法-Scaled-YOLOv4

6.1 简介

  本文研究表明， 基于CSP方法的YOLOv4目标检测神经网络可以上下伸缩，适用于小型和大型网络，同时保持最佳速度和精度。本文提出了一种 网络缩放方法，不仅仅是修改网络的深度、宽度、分辨率，还修改网络结构。

  神经网络算法的计算设备可能是云计算设备、通用GPU、物联网集群或单个嵌入式设备。为了设计有效的目标检测器，模型缩放技术是非常重要的，因为它可以使目标检测器对各种类型的设备实现高精度和实时推理。

  最常见的模型缩放技术是改变Backbone的深度（CNN中卷积层的数量）和宽度（卷积层中卷积滤波器的数量），然后训练适合不同设备的CNN。EfficientNet-B0中使用NAS技术执行复合缩放，包括宽度、深度和分辨率的处理，他们使用这个初始网络，并限定计算量，开始搜索最佳CNN的网络结构，并将其设置为EfficientNet-B1，然后使用线性放大技术获得EfficientNetB2-EfficitentNet-B7的体系结构。

  RegNet中总结并添加了来自广阔参数搜索空间AnyNet的约束，他们发现CNN的最佳深度约为60，还发现当瓶颈比设置为1，cross-stage宽度增加率设置为2.5时，会获得最佳性能。
其他多种轻量级神经网络算法详见系列文章《轻量级神经网络算法》。

  通过对各种目标检测算法的分析后发现，作为YOLOv4的Backbone的 CSPDarknet53几乎与通过网络架构搜索技术获得的所有优化过的架构特征相匹配。CSPDarknet53的深度、瓶颈比、stage间宽度增长率分别为65、1和2。因此，本文基于YOLOv4开发了 模型缩放技术，并提出了 scaled-YOLOv 4。如图1所示，提出的的scaled-YOLOv4具有出色的性能。

  scaled-YOLOv4的设计过程如下。首先，重新设计了YOLOv4并提出了YOLOv4 CSP，然后基于YOLOv 4 CSP开发了scaled-YOLOv4。在提出的scaled-YOLOv4中，讨论了线性扩大/缩小模型的上下界，并分别分析了小模型和大模型缩放时需要注意的问题。因此，能够系统地开发YOLOv4大型和YOLOv小型模型。

  本文主要贡献总结如下：
（1）针对小模型设计了一种强大的模型缩放方法，可以系统地平衡浅层CNN的计算开销和存储带宽；
（2）设计一种简单而有效的策略来扩大大型目标探测器；
（3）分析所有模型缩放因子之间的关系，然后基于最有利的组划分执行模型缩放；
（4）实验证实，FPN结构本质上是一种一劳永逸(once-for-all )的结构；
  利用上述方法开发了YOLOv4-tiny和YOLOv4-large。

6.2 模型缩放原理

  在对目标检测器执行模型缩放后，下一步是处理将发生变化的定量因素，包括带有定性因素的参数数量。这些因素包括模型推理时间、平均精度等。定性因素将根据所使用的设备或数据库产生不同的增益效应。将在第1小节中分析和设计定量因素。在第2、3小节中，将分别设计在低端设备和高端GPU上的目标检测器相关的定性因素。

6.2.1 模型缩放的一般原理

  在设计有效的模型缩放方法时， 主要原则是，当缩放比例增大/减小时，我们希望增加/减少的量化成本越低/越高，效果越好。

  在本节中，将展示和分析各种通用CNN模型，并试图了解它们在1）图像大小、2）层数和3）通道数变化时的量化成本。选择的CNN有ResNet、ResNext和Darknet。

  对于具有b个base layer通道的k层CNN，
  ResNet layer的计算为：k*[conv(1x1,b/4)] -> conv(3x3,b/4) -> conv(1x1,b)]；
  ResNeXt layer的计算为：k*[conv(1x1,b/2) -> gconv(3x3/32,b/2) -> conv(1x1,b)]；
  Darknet layer的计算为：k*[conv(1x1,b/2) -> conv(3x3,b)]。

  分别用α、β和γ表示可用于调整图像大小、层数和通道数的缩放因子，当这些比例因子变化时，表1总结了FLOPs的相应变化。

  从表1可以看出，计算消耗缩放尺寸和宽度呈平方倍增长，深度呈线性增长。

   CSPNet可以应用于各种CNN架构，同时减少了参数和计算量。此外，它还提高了准确性，减少了推理时间。将其应用于ResNet、ResNeXt和Darknet，并观察计算量的变化，如表2所示。CSP block的结构如上图所示。

  从表2所示的数字中，可以看到，将上述CNN转换为CSPNet后，新架构可以有效地将ResNet、ResNeXt和Darknet上的计算量（FLOP）分别减少23.5%、46.7%和50.0%。因此，本文使用 CSP-ized化模型作为执行模型缩放的最佳模型。

6.2.2 低端设备可缩放的微型模型

  对于低端设备，设计模型的推理速度不仅受计算量和模型大小的影响，更重要的是必须考虑外围硬件资源的限制。因此，在执行微小模型缩放时，还必须考虑内存带宽、内存访问成本（MAC）和DRAM流量等因素。为了考虑上述因素，设计必须符合以下原则：

1. 使计算复杂度小于$O(whk{b}^2)$
     轻量级模型与大型模型的不同之处在于，它们的参数利用效率必须更高，以便通过少量计算达到所需的精度。在执行模型缩放时，希望计算顺序尽可能低。在表3中，分析了具有有效参数利用率的网络，例如DenseNet和OSANet的计算负载，其中g表示增长率。
   
     对于一般的CNN，表3中列出的g、b和k之间的关系为k<$O(whgbk)$，OSANet的计算复杂程度为$O(max(whbg,whk{g}^2))$。以上两个模型的计算复杂度都小于ResNet系列的$O(whk{b}^2$)。因此， 本文采用OSANet设计计算复杂度较小的小型模型。OSANet的结构图如下图(b)所示。
   

2. 最小化/平衡特征图的大小
     为了在计算速度方面取得最佳平衡，提出了一个新概念，即在CSPOSANet的计算块之间执行梯度截断。如果将原始CSPNet设计应用于DenseNet或ResNet架构，因为这两种架构的第j层输出是第1到(j-1)层输出的整合，必须将整个计算块视为一个整体。由于OSANet的计算块属于PlainNet架构，因此从计算块的任何层制作CSPNet都可以实现梯度截断的效果。本文使用此功能重新规划基础层的b通道和计算块生成的kg通道，并将它们分割为通道数相等的两条路径，如表4所示。
   
     当通道数为$b+kg$时，如果要将这些通道分成两条路径，最好的分割是将其分成两个相等的部分，例如$(b+kg)/2$。当实际考虑硬件的带宽τ时，如果不考虑软件优化，最佳值为$ceil((b+kg)/2\tau )\ast \tau$。本文设计的CSPOSANet可以动态调整信道分配。

3. 卷积后保持相同的通道数
     为了评估低端设备的计算成本，还必须考虑功耗，而影响功耗的最大因素是内存访问成本（MAC）。通常，卷积运算的MAC计算方法如下：
   
     其中，h、w、Cin、Cout和K分别表示特征映射的高度和宽度、输入和输出的通道数以及卷积滤波器的数量。通过计算几何不等式，可以得出 当$C_{in}=C_{out}$时的MAC最小。

4. 最小化卷积输入/输出（CIO）
   
     CIO是一个可以测量DRAM IO状态的指示器。表5列出了OSA、CSP和本文设计的CSPOSANet的CIO。 当kg>b/2时，提出的的CSPOSANet可以获得最佳CIO。

6.2.3 高端GPU扩展的大型模型

  由于我们希望在放大CNN模型后提高精度的同时并保持实时推理速度，因此在执行复合缩放时，必须在目标检测器的许多缩放因子中找到最佳组合。通常，可以调整目标探测器input、backbone和neck的比例因子。表6总结了可调整的缩放因子。

  图像分类和目标检测的最大区别在于，前者只需要识别图像中最大占比的类别，而后者需要预测图像中每个目标的位置和大小。在一阶段目标检测器中，每个位置对应的特征向量用于预测该位置上的目标类别和大小。更好地预测物体大小的能力基本上取决于特征向量的感受野。在CNN架构中，与感受野最直接相关的是stage，而特征金字塔网络（FPN）架构告诉我们，更多的stage更适合预测大型物体。在表7中，说明了感受野和几个参数之间的关系。

  从表7可以看出，宽度缩放可以独立操作。当输入图像尺寸增大时，如果想要对大型目标有更好的预测效果，就必须增加网络的深度或stage数。在表7中列出的参数中，{$siz{e}^{input}$,#stage}的组合效果最好。 因此，在执行缩放时，首先对size^input、#stage执行复合缩放，然后根据实时要求，分别对深度和宽度执行缩放。

6.3 Scaled-YOLOv4

  在本节中，讲解为普通GPU、低端GPU和高端GPU设计可缩放的YOLOv4。

6.3.1 SCP-ized YOLOv4

  YOLOv4是为通用GPU上的实时目标检测而设计的。在本小节中，重新设计了YOLOv4得到YOLOv 4 CSP，以获得最佳速度/精度权衡。

1. Backbone
     在CSPDarknet53的设计中，跨阶段过程的下采样卷积计算不包括在残差块中。因此，可以推断出每个CSPDarknet阶段的计算量为$wh{b}^2(9/4+3/4+5k/2)$。从上面推导的公式中，可以知道只有当满足k>1时，CSPDarknet stage才比Darknet stage有更好的计算优势。CSPDarknet53中每个stage的残差层数量分别为1-2-8-8-4。为了获得更好的速度/精度权衡，将第一个CSP stage转换为原始的Darknet残差层。

2. Neck
     为了有效地减少计算量，在YOLOv4中CSP化了PAN架构。PAN的结构如图2（a）所示。它主要整合来自不同特征金字塔的特征，然后通过两组反向Darknet残差层，没有shortcut连接。CSP化之后，新的结构如图2（b）所示，这个新的更新有效地减少了40%的计算量。
   

3. SPP
     SPP模块最初插入neck第一个计算列表组的中间位置。因此，本文还将SPP模块插入到CSPPAN第一个计算列表组的中间位置。

6.3.2 YOLOv4-tiny

  YOLOv4 tiny是为低端GPU设备设计的，设计遵循<低端设备可缩放的微型模型>节中提到的原则。

  本文使用带有PCB架构的CSPOSANet来构成YOLOv4的Backbone。设置$g=b/2$作为增长率，并在最后使其增长到$b/2+kg=2b$。通过计算，得出$k=3$，其结构如图3所示。对于每个阶段和neck部分的通道数，遵循YOLOv3-tiny的设计规则。

6.3.3 YOLOv4-large

  YOLOv4 large是为云GPU设计的，主要目的是实现高精度的目标检测。设计了一个完全CSP化的YOLOv4-P5，并将其扩展到YOLOv4-P6和YOLOv4-P7。

  图4展示了YOLOv4-P5、YOLOv 4P6和YOLOv-4-P7的结构。在$siz{e}^{input}$、#stage上执行复合缩放，将每个阶段的深度刻度设置为$2^{dsi}$,$ds为[1,3,15,15,7,7,7]$。最后，进一步使用推理时间作为约束来执行额外的宽度缩放。实验表明，当宽度缩放因子等于1时，YOLOv4-P6可以在30 FPS视频上达到实时性能。对于YOLOv4-P7，当宽度比例因子等于1.25时，它可以在16 FPS视频下实现实时性能。