用opencv的dnn模块做yolov5目标检测

最近在微信公众号里看到多篇讲解yolov5在openvino部署做目标检测文章，但是没看到过用opencv的dnn模块做yolov5目标检测的。于是，我就想着编写一套用opencv的dnn模块做yolov5目标检测的程序。在编写这套程序时，遇到的bug和解决办法，在这篇文章里讲述一下。

在yolov5之前的yolov3和yolov4的官方代码都是基于darknet框架的实现的，因此opencv的dnn模块做目标检测时，读取的是.cfg和.weight文件，那时候编写程序很顺畅，没有遇到bug。但是yolov5的官方代码(https://github.com/ultralytics/yolov5)是基于pytorch框架实现的，但是opencv的dnn模块不支持读取pytorch的训练模型文件的。如果想要把pytorch的训练模型.pth文件加载到opencv的dnn模块里，需要先把pytorch的训练模型.pth文件转换到.onnx文件，然后才能载入到opencv的dnn模块里。

因此，用opencv的dnn模块做yolov5目标检测的程序，包含两个步骤：(1).把pytorch的训练模型.pth文件转换到.onnx文件。(2).opencv的dnn模块读取.onnx文件做前向计算。

(1).把pytorch的训练模型.pth文件转换到.onnx文件

在做这一步时，我得吐槽一下官方代码：https://github.com/ultralytics/yolov5，这套程序里的代码混乱，在pytorch里，通常是在.py文件里定义网络结构的，但是官方代码是在.yaml文件定义网络结构，利用pytorch动态图特性，解析.yaml文件自动生成网络结构。在.yaml文件里有depth_multiple和width_multiple，它是控制网络的深度和宽度的参数。这么做的好处是能够灵活的配置网络结构，但是不利于理解网络结构，假如你想设断点查看某一层的参数和输出数值，那就没办法了。因此，在我编写的转换到.onnx文件的程序里，网络结构是在.py文件里定义的。其次，在官方代码里，还有一个奇葩的地方，那就是.pth文件。起初，我下载官方代码到本地运行时，torch.load读取.pth文件总是出错，后来把pytorch升级到1.7，就读取成功了。可以看到版本兼容性不好，这是它的一个不足之处。设断点查看读取的.pth文件里的内容，可以看到.pth里既存储有模型参数，也存储有网络结构，还储存了一些超参数，包括anchors,stride等等的。第一次见到有这种操作的，通常情况下，.pth文件里只存储了训练模型参数的。

查看models\yolo.py里的Detect类，在构造函数里，有这么两行代码：

我尝试过把这两行代码改成self.anchors = a 和 self.anchor_grid = a.clone().view(self.nl, 1, -1, 1, 1, 2)，程序依然能正常运行，但是torch.save保存模型文件后，可以看到.pth文件里没有存储anchors和anchor_grid了，在百度搜索register_buffer，解释是：pytorch中register_buffer模型保存和加载的时候可以写入和读出。

在这两行代码的下一行：

它的作用是做特征图的输出通道对齐，通过1x1卷积把三种尺度特征图的输出通道都调整到 num_anchors*(num_classes+5)。

阅读Detect类的forward函数代码，可以看出它的作用是根据偏移公式计算出预测框的中心坐标和高宽，这里需要注意的是，计算高和宽的代码：

                                                                 pwh = (ps[:, 2:4].sigmoid() * 2) ** 2 * anchors[i]

没有采用exp操作，而是直接乘上anchors[i]，这是yolov5与yolov3v4的一个最大区别(还有一个区别就是在训练阶段的loss函数里，yolov5采用邻域的正样本anchor匹配策略，增加了正样本。其它的是一些小区别，比如yolov5的第一个模块采用FOCUS把输入数据2倍下采样切分成4份，在channel维度进行拼接，然后进行卷积操作,yolov5的激活函数没有使用Mish)。

现在可以明白Detect类的作用是计算预测框的中心坐标和高宽，简单来说就是生成proposal，作为后续NMS的输入，进而输出最终的检测框。我觉得在Detect类里定义的1x1卷积是不恰当的，应该把它定义在Detect类的外面，紧邻着Detect类之前定义1x1卷积。

在官方代码里，有转换到onnx文件的程序： python models/export.py --weights yolov5s.pt --img 640 --batch 1

在pytorch1.7版本里，程序是能正常运行生成onnx文件的。观察export.py里的代码，在执行torch.onnx.export之前，有这么一段代码：

注意其中的for循环，我试验过注释掉它，重新运行就会出错，打印出的错误如下：

由此可见，这段for循环代码是必需的。

(2).opencv的dnn模块读取.onnx文件做前向计算

在生成.onnx文件后，就可以用opencv的dnn模块里的cv2.dnn.readNet读取它。然而，在读取时，出现了如下错误：

我在百度搜索这个问题的解决办法，看到一篇知乎文章(https://zhuanlan.zhihu.com/p/286298001?utm_source=wechat_timeline)，文章里讲述的第一条：

于是查看yolov5的代码，在common.py文件的Focus类,torch.cat的输入里有4次切片操作，代码如下：

那么现在需要更换索引式的切片操作，观察到注释的Contract类，它就是用view和permute函数完成切片操作的，于是修改代码如下：

其次，在models\yolo.py里的Detect类里，也有切片操作，代码如下：

前面说过，Detect类的作用是计算预测框的中心坐标和高宽，生成proposal，这个是属于后处理的，因此不需要把它写入到onnx文件里。

总结一下，按照上面的截图代码，修改Focus类，把Detect类里面的1x1卷积定义在紧邻着Detect类之前的外面，然后去掉Detect类，组成新的model，作为torch.onnx.export的输入，

torch.onnx.export(model, inputs, output_onnx, verbose=False, opset_version=12, input_names=['images'], output_names=['out0', 'out1', 'out2'])

最后生成的onnx文件，opencv的dnn模块就能成功读取了，接下来对照Detect类里的forward函数，用python或者C++编写计算预测框的中心坐标和高宽的功能。

周末这两天，我在win10+cpu机器里编写了用opencv的dnn模块做yolov5目标检测的程序，包含Python和C++两个版本的。程序都调试通过了，运行结果也是正确的。我把这套代码发布在github上，地址是  https://github.com/hpc203/yolov5-dnn-cpp-python

后处理模块，python版本用numpy array实现的，C++版本的用vector和数组实现的，整套程序只依赖opencv库(opencv4版本以上的)就能正常运行，彻底摆脱对深度学习框架pytorch,tensorflow,caffe,mxnet等等的依赖。用openvino作目标检测，需要把onnx文件转换到.bin和.xml文件，相比于用dnn模块加载onnx文件做目标检测是多了一个步骤的。因此，我就想编写一套用opencv的dnn模块做yolov5目标检测的程序，用opencv的dnn模块做深度学习目标检测，在win10和ubuntu，在cpu和gpu上都能运行，可见dnn模块的通用性更好，很接地气。