YOLOv5应用轻量级通用上采样算子CARAFE

《CARAFE: Content-Aware ReAssembly of FEatures》

CARAFE源码地址：https: //github.com/open-mmlab/mmdetection.

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在之前的博文中我介绍过多种常规的上采样方式，比如最近邻 / 双线性 / 双立方 / 三线性 / 转置卷积等方式，其应用场景和特点各有不同，详细请看我这篇博文

今天来给大家介绍一个2019年ICCV上提出的一个轻量级通用上采样算子CARAFE

上图是CARAFE 的整体框架。 CARAFE 由两个关键组件组成，即内核预测模块和内容感知重组模块。在该图中，大小为 $C\times H\times W$的特征图被上采样了$\sigma (=2)$倍。

CARAFE 作为内容感知内核的重组运算符。它由两个步骤组成。第一步是根据每个目标位置的内容预测一个重组核，第二步是用预测的核对特征进行重组。给定大小为 $C\times H\times W$ 的特征图 $X$ 和上采样率 $\sigma$（假设 $\sigma$ 是整数），CARAFE 将生成大小为 $C\times \sigma H\times \sigma W$ 的新特征图 $X^{\prime }$。对于输出 $X^{\prime }$ 的任意目标位置 $l^{\prime }=(i^{\prime },j^{\prime })$，在输入 $X$ 处都有对应的源位置 $l=(i,j)$，其中 $i=[i^{\prime }/\sigma ]$ , $j=[j^{\prime }/\sigma ]$。这里我们将 $N(X_l,k)$ 表示为以位置 l 为中心的 $X$ 的 $k\times k$ 子区域，即 $X_l$ 的邻居。在第一步中，核预测模块 $\psi$ 根据 $X_l$ 的邻居预测每个位置$l^{\prime }$ 的位置核 $W_{l^{\prime }}$，如方程式所示。
(1)重组步骤公式化为方程式。
(2)其中 $\phi$ 是内容感知重组模块，将 $X_l$的邻居与内核 $W_{l^{\prime }}$进行重组:

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带有 CARAFE 的 FPN 架构。 CARAFE 在自上而下的路径中将特征图上采样 2 倍。通过无缝替换最近邻插值将其集成到 FPN 中。

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YOLOv5更换CARAFE方式：

第一步；将如下代码添加到common.py中

import torch.nn.functional as F

class CARAFE(nn.Module):     
    #CARAFE: Content-Aware ReAssembly of FEatures       https://arxiv.org/pdf/1905.02188.pdf
    def __init__(self, c1, c2, kernel_size=3, up_factor=2):
        super(CARAFE, self).__init__()
        self.kernel_size = kernel_size
        self.up_factor = up_factor
        self.down = nn.Conv2d(c1, c1 // 4, 1)
        self.encoder = nn.Conv2d(c1 // 4, self.up_factor ** 2 * self.kernel_size ** 2,
                                 self.kernel_size, 1, self.kernel_size // 2)
        self.out = nn.Conv2d(c1, c2, 1)

    def forward(self, x):
        N, C, H, W = x.size()
        # N,C,H,W -> N,C,delta*H,delta*W
        # kernel prediction module
        kernel_tensor = self.down(x)  # (N, Cm, H, W)
        kernel_tensor = self.encoder(kernel_tensor)  # (N, S^2 * Kup^2, H, W)
        kernel_tensor = F.pixel_shuffle(kernel_tensor, self.up_factor)  # (N, S^2 * Kup^2, H, W)->(N, Kup^2, S*H, S*W)
        kernel_tensor = F.softmax(kernel_tensor, dim=1)  # (N, Kup^2, S*H, S*W)
        kernel_tensor = kernel_tensor.unfold(2, self.up_factor, step=self.up_factor) # (N, Kup^2, H, W*S, S)
        kernel_tensor = kernel_tensor.unfold(3, self.up_factor, step=self.up_factor) # (N, Kup^2, H, W, S, S)
        kernel_tensor = kernel_tensor.reshape(N, self.kernel_size ** 2, H, W, self.up_factor ** 2) # (N, Kup^2, H, W, S^2)
        kernel_tensor = kernel_tensor.permute(0, 2, 3, 1, 4)  # (N, H, W, Kup^2, S^2)

        # content-aware reassembly module
        # tensor.unfold: dim, size, step
        x = F.pad(x, pad=(self.kernel_size // 2, self.kernel_size // 2,
                                          self.kernel_size // 2, self.kernel_size // 2),
                          mode='constant', value=0) # (N, C, H+Kup//2+Kup//2, W+Kup//2+Kup//2)
        x = x.unfold(2, self.kernel_size, step=1) # (N, C, H, W+Kup//2+Kup//2, Kup)
        x = x.unfold(3, self.kernel_size, step=1) # (N, C, H, W, Kup, Kup)
        x = x.reshape(N, C, H, W, -1) # (N, C, H, W, Kup^2)
        x = x.permute(0, 2, 3, 1, 4)  # (N, H, W, C, Kup^2)

        out_tensor = torch.matmul(x, kernel_tensor)  # (N, H, W, C, S^2)
        out_tensor = out_tensor.reshape(N, H, W, -1)
        out_tensor = out_tensor.permute(0, 3, 1, 2)
        out_tensor = F.pixel_shuffle(out_tensor, self.up_factor)
        out_tensor = self.out(out_tensor)
        #print("up shape:",out_tensor.shape)
        return out_tensor

第二步；把CARAFE写入yolo.py中

第三步；修改配置文件，以yolov5.yaml为例

# parameters
nc: 80  # number of classes
depth_multiple: 0.33  # model depth multiple
width_multiple: 0.50  # layer channel multiple

# anchors
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 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]],
    
  ]

# YOLOv5 head
head:
  [[-1, 1, Conv, [512, 1, 1]],
   [-1, 1, CARAFE, [512,3,2]],
   [[-1, 6], 1, Concat, [1]],  # cat backbone P4
   [-1, 3, C3, [512, False]],  # 13

   [-1, 1, Conv, [256, 1, 1]],
   [-1, 1, CARAFE, [256,3,2]],
   [[-1, 4], 1, Concat, [1]],  # cat backbone P3
   [-1, 3, C3, [256, False]],  # 17 (P3/8-small)

   [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]],
   [[-1, 14], 1, Concat, [1]],  # cat head P4
   [-1, 3, C3, [512, False]],  # 20 (P4/16-medium)

   [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]],
   [[-1, 10], 1, Concat, [1]],  # cat head P5
   [-1, 3, C3, [1024, False]],  # 23 (P5/32-large)

   [[17, 20, 23], 1, Detect, [nc, anchors]],  # Detect(P3, P4, P5)
  ]

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