用opencv的DNN模块做Yolov5目标检测(纯干货，源码已上传Github)

计算机视觉研究院专栏

作者：Edison_G

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。

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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ultralytics的.pt文件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。SiLU其实就是swish激活函数，而在onnx模型里是不直接支持swish算子的，因此在转换生成onnx文件时，SiLU激活函数不能直接使用nn.Module里提供的接口，而需要自定义实现它。

(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(Pytorch转ONNX-实战篇2（实战踩坑总结） - 知乎)，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。

生成yolov5s_param.pth 的步骤，首先下载https://github.com/ultralytics/yolov5 的源码到本地，在yolov5-master主目录(注意不是我发布的github代码目录)里新建一个.py文件，把下面的代码复制到.py文件里

import torch
from collections import OrderedDict
import pickle
import os
 
device = 'cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu'
 
if __name__=='__main__':
    choices = ['yolov5s', 'yolov5l', 'yolov5m', 'yolov5x']
    modelfile = choices[0]+'.pt'
    utl_model = torch.load(modelfile, map_location=device)
    utl_param = utl_model['model'].model
    torch.save(utl_param.state_dict(), os.path.splitext(modelfile)[0]+'_param.pth')
    own_state = utl_param.state_dict()
    print(len(own_state))
 
    numpy_param = OrderedDict()
    for name in own_state:
        numpy_param[name] = own_state[name].data.cpu().numpy()
    print(len(numpy_param))
    with open(os.path.splitext(modelfile)[0]+'_numpy_param.pkl', 'wb') as fw:
        pickle.dump(numpy_param, fw)

运行这个.py文件，这时候就可以生成yolov5s_param.pth文件。之所以要进行这一步，我在上面讲到过：ultralytics的.pt文件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。torch.load加载ultralytics的官方.pt文件，也就是utl_model = torch.load(modelfile, map_location=device)这行代码，在这行代码后设断点查看utl_model里的内容，截图如下

可以看到utl_model里含有既存储有模型参数，也存储有网络结构，还储存了一些超参数等等的，这会严重影响转onnx文件。此外，我还发现，如果pytorch的版本低于1.7，那么在torch.load加载.pt文件时就会出错的。

因此在程序里，我把模型参数转换到cpu.numpy形式的，最后保存在.pkl文件里。这时候在win10系统cpu环境里，即使你的电脑没有安装pytorch，也能通过python程序访问到模型参数。

pytorch转onnx常见坑：

1. onnx只能输出静态图，因此不支持if-else分支。一次只能走一个分支。如果代码中有if-else语句，需要改写。
2. onnx不支持步长为2的切片。例如a[::2,::2]
3. onnx不支持对切片对象赋值。例如a[0,:,:,:]=b， 可以用torch.cat改写
4. onnx里面的resize要求output shape必须为常量。可以用以下代码解决：

if isinstance(size, torch.Size):
    size = tuple(int(x) for x in size)

此外，在torch.onnx.export(model, inputs, output_onnx)的输入参数model里，应该只包含网络结构，也就是说model里只含有nn.Conv2d, nn.MaxPool2d, nn.BatchNorm2d, F.relu等等的这些算子组件，而不应该含有后处理模块的。图像预处理和后处理模块需要自己使用C++或者Python编程实现。

在明白了这些之后，在转换生成onnx文件，你需要执行两个步骤，第一步把原始训练模型.pt文件里的参数保存到新的.pth文件里，第二步编写yolov5.py文件，把yolov5的往来结构定义在.py文件里，此时需要注意网络结构里不能包含切片对象赋值操作，F.interpolate里的size参数需要加int强制转换。在执行完这两步之后才能生成一个opencv能成功读取并且做前向推理的onnx文件。

不过，最近我发现在yolov5-pytorch程序里，其实可以直接把原始训练模型.pt文件转换生成onnx文件的，而且我在一个yolov5检测人脸+关键点的程序里实验成功了。

        这套程序发布在github上，地址是 ：

https://github.com/hpc203/yolov5-face-landmarks-opencv

https://github.com/hpc203/yolov5-face-landmarks-opencv-v2

这套程序只依赖opencv库就可以运行yolov5检测人脸+关键点，程序依然是包含C++和Python两个版本的，这套程序里还有一个转换生成onnx文件的python程序文件。只需运行这一个.py文件就可以生成onnx文件，而不需要之前讲的那样执行两个步骤，这样大大简化了生成onnx文件的流程，使用方法可以阅读程序里的README文档。

在这个新的转换生成onnx文件的程序里，需要重新定义yolov5网络结构，主要是修改第一个模块Focus，用Contract类替换索引式的切片操作，在最后一个模块Detect类里，只保留三个1x1卷积，剩下的make_grid和decode属于后处理，不能包含在网络结构里，代码截图如下

如果要转换生成onnx文件，需要设置export = True，这时候Detect模块的forward就只进行1x1卷积，这时的网络结构就可以作为torch.onnx.export(model, inputs, output_onnx)的输入参数model。不过由于ultralytics的yolov5代码仓库几乎每天都在更新，因此你现在看到的ultralytics的yolov5里的Detect类很有可能不是这么写的，那这是需要你手动修改程序，然后再运行。

        看到最近旷视发布的anchor-free系列的YOLOX，而在github开源的代码里，并没有使用opencv部署的程序。因此，我就编写了一套使用OpenCV部署YOLOX的程序，支持YOLOX-S、YOLOX-M、YOLOX-L、YOLOX-X、YOLOX-Darknet53五种结构，包含C++和Python两种版本的程序实现。在今天我在github发布了这套程序，地址是

 https://github.com/hpc203/yolox-opencv-dnn

在旷视发布的YOLOX代码里，提供了在COCO数据集上训练出来的.pth模型文件，并且也提供了导出onnx模型的export_onnx.py文件，起初我运行export_onnx.py生成onnx文件之后Opencv读取onnx文件失败了，报错原因跟文章最开始的第(2)节里的一样，这说明在YOLOX的网络结构里有切片操作，经过搜索后，在 yolox\models\network_blocks.py 里有个Focus类，它跟YOLOv5里的Focus是一样的，都是把输入张量切分成4份，然后concat+conv。这时按照第(2)节里讲述的解决办法，修改Focus类，重新运行export_onnx.py生成onnx文件，Opencv读取onnx文件就不会再出错了。

        在github发布了一套使用OpenCV部署Yolo-FastestV2的程序，依然是包含C++和Python两种版本的程序实现。地址是

https://github.com/hpc203/yolo-fastestv2-opencv

经过运行，体验到这个Yolo-FastestV2的速度确实很快，而且onnx文件只有957kb大小，不超过1M。在官方代码https://github.com/dog-qiuqiu/Yolo-FastestV2里，学习它的网络结构。设断点调试，查看中间变量可以看到，在model/detector.py，网络输出了6个张量

 它们的形状分别是

torch.Size([1, 12, 22, 22])
torch.Size([1, 3, 22, 22])
torch.Size([1, 80, 22, 22])
torch.Size([1, 12, 11, 11])
torch.Size([1, 3, 11, 11])
torch.Size([1, 80, 11, 11])

结合配置文件data/coco.data，可以看到模型输入是352x352的图片，而输出有22x22和11x11这两种尺度的特征图，这说明Yolo-FastestV2的输出只有缩放16倍和缩放32倍这两种尺度的特征图，比yolov3，v4，v5系列的都要少一个尺度特征图。其次在配置文件data/coco.data还可以看到anchor一共有6个，分别给两个尺度特征图里的网格点分配3个。观察输出的6个张量的形状信息，很明显前3个张量是22x22尺度特征图的检测框坐标回归量bbox_reg，检测框目标置信度obj_conf，检测框类别置信度cls_conf。由于给每个网格点分配3个anchor，检测框坐标包含(center_x, center_y, width, height)，因此维数是4*3=12，这也就明白了bbox_reg的第1个维度是12，obj_conf的第1个维度是3，而COCO数据集有80类，那么cls_conf的第1个维度应该是3*80=240，但是在上面调试信息里显示的是80类。继续设断点调试代码，在utils/utils.py里，第326行有这么一行代码

类别置信度复制了3份，结合这个后处理代码，可以看出类别置信度对3个anchor是共享的。

        在观察出Yolo-FastestV2的这些特性之后，可以理解为何它的速度快和模型文件小的原因了。主要是因为它的输入图片尺寸比传统yolov3，v4，v5系列的要小，它的输出特征图尺寸个数，也比传统yolo的要少，最后对网格点上的3个anchor是共享类别置信度的，这也减少了特种通道数。

        8月29日，我在github发布了一套使用OpenCV部署全景驾驶感知网络YOLOP，可同时处理交通目标检测、可驾驶区域分割、车道线检测，三项视觉感知任务，依然是包含C++和Python两种版本的程序实现。地址是：

https://github.com/hpc203/YOLOP-opencv-dnn

在这里我讲一下生成onnx文件需要注意的地方，YOLOP的官方代码地址是 https://github.com/hustvl/YOLOP  ，它是华中科技大学视觉团队发布的，它的代码是使用pytorch作为深度学习框架。仔细阅读和运行调试他的代码，可以看出，它的代码是在ultralytics的yolov5里修改的，添加了可行驶区域分割和车道线分割这两个分割头，在bdd100k数据集上的训练的，不过YOLOP的检测类别只保留了bdd100k数据集里的车辆这一个类别。生成onnx文件，第一步是把我发布的代码里的export_onnx.py拷贝到https://github.com/hustvl/YOLOP的主目录里。第二步，在https://github.com/hustvl/YOLOP的主目录里，打开lib/models/common.py，首先修改Focus类，原始的Focus类的forward函数里是由切片操作的，那么这时按照第(2)节里讲述的解决办法，修改Focus类，示例代码如下

class Contract(nn.Module):
    # Contract width-height into channels, i.e. x(1,64,80,80) to x(1,256,40,40)
    def __init__(self, gain=2):
        super().__init__()
        self.gain = gain
    def forward(self, x):
        N, C, H, W = x.size()  # assert (H / s == 0) and (W / s == 0), 'Indivisible gain'
        s = self.gain
        x = x.view(N, C, H // s, s, W // s, s)  # x(1,64,40,2,40,2)
        x = x.permute(0, 3, 5, 1, 2, 4).contiguous()  # x(1,2,2,64,40,40)
        return x.view(N, C * s * s, H // s, W // s)  # x(1,256,40,40)
    
class Focus(nn.Module):
    # Focus wh information into c-space
    # slice concat conv
    def __init__(self, c1, c2, k=1, s=1, p=None, g=1, act=True):  # ch_in, ch_out, kernel, stride, padding, groups
        super(Focus, self).__init__()
        self.conv = Conv(c1 * 4, c2, k, s, p, g, act)
        self.contract = Contract(gain=2)
    def forward(self, x):  # x(b,c,w,h) -> y(b,4c,w/2,h/2)
        # return self.conv(torch.cat([x[..., ::2, ::2], x[..., 1::2, ::2], x[..., ::2, 1::2], x[..., 1::2, 1::2]], 1))
        return self.conv(self.contract(x))

接下来修改Detect类里的forward函数，示例代码如下

def forward(self, x):
    if not torch.onnx.is_in_onnx_export():
        z = []  # inference output
        for i in range(self.nl):
            x[i] = self.m[i](x[i])  # conv
            # print(str(i)+str(x[i].shape))
            bs, _, ny, nx = x[i].shape  # x(bs,255,w,w) to x(bs,3,w,w,85)
            x[i] = x[i].view(bs, self.na, self.no, ny, nx).permute(0, 1, 3, 4, 2).contiguous()
            # print(str(i)+str(x[i].shape))
 
            if not self.training:  # inference
                if self.grid[i].shape[2:4] != x[i].shape[2:4]:
                    self.grid[i] = self._make_grid(nx, ny).to(x[i].device)
                y = x[i].sigmoid()
                # print("**")
                # print(y.shape) #[1, 3, w, h, 85]
                # print(self.grid[i].shape) #[1, 3, w, h, 2]
                y[..., 0:2] = (y[..., 0:2] * 2. - 0.5 + self.grid[i].to(x[i].device)) * self.stride[i]  # xy
                y[..., 2:4] = (y[..., 2:4] * 2) ** 2 * self.anchor_grid[i]  # wh
                """print("**")
                print(y.shape)  #[1, 3, w, h, 85]
                print(y.view(bs, -1, self.no).shape) #[1, 3*w*h, 85]"""
                z.append(y.view(bs, -1, self.no))
        return x if self.training else (torch.cat(z, 1), x)
    else:
        for i in range(self.nl):
            x[i] = self.m[i](x[i])  # conv
            # print(str(i)+str(x[i].shape))
            bs, _, ny, nx = x[i].shape  # x(bs,255,w,w) to x(bs,3,w,w,85)
            x[i] = x[i].view(bs, self.na, self.no, ny, nx).permute(0, 1, 3, 4, 2).contiguous()
            x[i] = torch.sigmoid(x[i])
            x[i] = x[i].view(-1, self.no)
        return torch.cat(x, dim=0)

修改完之后，运行export_onnx.py就能生成onnx文件，并且opencv读取正常的。

        9月18日，我在github上发布了一套使用ONNXRuntime部署anchor-free系列的YOLOR，依然是包含C++和Python两种版本的程序。起初我是想使用OpenCV部署的，但是opencv读取onnx文件总是出错，于是我换用ONNXRuntime部署。地址是：

https://github.com/hpc203/yolor-onnxruntime

© THE END 

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