【目标检测】YOLOv4特征提取网络——CSPDarkNet结构解析及PyTorch实现

1 YOLOv4目标检测模型

自从Redmon说他不在更新YOLO系列之后，我一度以为这么好用的框架就要慢慢淡入历史了，事实是我多虑了。YOLOv4在使用YOLO Loss的基础上，使用了新的backbone，并且集成了很多新的优化方法及模型策略，如Mosaic，PANet，CmBN，SAT训练，CIoU loss，Mish激活函数，label smoothing等等。可谓集SoAT之大成，也实现了很好的检测精度和速度。 这篇博客主要讨论YOLOv4中的backbone——CSP-DarkNet，以及其实现的所必需的Mish激活函数，CSP结构和DarkNet。

开源项目YOLOv5相比YOLOv4有了比较夸张的突破，成为了全方位吊打EfficientDet的存在，其特征提取网络也是CSP-DarkNet。

1.1 Mish激活函数

激活函数是为了提高网络的学习能力，提升梯度的传递效率。CNN常用的激活函数也在不断地发展，早期网络常用的有ReLU，LeakyReLU，softplus等，后来又有了Swish，Mish等。Mish激活函数的计算复杂度比ReLU要高不少，如果你的计算资源不是很够，可以考虑使用LeakyReLU代替Mish。在介绍之前，需要先了解softplus和tanh函数。

softplus激活函数的公式如下：
$$\zeta (x)=log(1+e^x)$$

上图是其输出曲线，softplus和ReLU的曲线具有相似性，但是其比ReLU更为平滑。

目前的普遍看法是，平滑的激活函数允许更好的信息深入神经网络，从而得到更好的准确性和泛化。

tanh的公式如下：
$$tanh(x)=\frac{e^x-e^{-x}}{e^x+e^{-x}}$$

Mish激活函数的公式为：
$$Mish(x)=x\times tanh(\zeta (x))$$

上图为Mish的曲线。首先其和ReLU一样，都是无正向边界的，可以避免梯度饱和；其次Mish函数是处处光滑的，并且在绝对值较小的负值区域允许一些负值。

1.2 CSP结构和DarkNet

CSP和DarkNet的结构我在之前的博客中有介绍，如果不清楚的同学，欢迎戳链接：CSPNet，DarkNet。

这里为了方便对比，给出DarkNet-53的架构图：

1.3 CSP-DarkNet

博客【darknet】darknet——CSPDarknet53网络结构图（YOLO V4使用）画出了DarkNet-53的结构图，画得很简明清晰，我借过来用一下：

CSP-DarkNet和CSP-ResNe(X)t的整体思路是差不多的，沿用网络的滤波器尺寸和整体结构，在每组Residual block加上一个Cross Stage Partial结构。并且，CSP-DarkNet中也取消了Bottleneck的结构，减少了参数使其更容易训练。

但是，有个地方看图还是不清楚——CSP输入的时候通道是什么比例划分的？ 查看了一些源码，最终确认了结构，在一下部分进行讨论。

【讨论】

按照CSP论文中的思路，我开始认为的CSP结构应该是这样的——特征输入之后，通过一个比例将其分为两个部分（CSPNet中是二等份），然后再分别输入block结构，以及后面的Partial transition处理。这样符合CSPNet论文中的理论思路。

但是实际上，我参考了一些源码以及darknet配置文件中的网络参数，得到的结构是这样的：

和我所理解不同的是，实际的结构在输入后没有按照通道划分成两个部分，而是直接用两路的1x1卷积将输入特征进行变换。 可以理解的是，将全部的输入特征利用两路1x1进行transition，比直接划分通道能够进一步提高特征的重用性，并且在输入到resiudal block之前也确实通道减半，减少了计算量。虽然不知道这是否吻合CSP最初始的思想，但是其效果肯定是比我设想的那种情况更好的。性能是王道，我们也按照实际的结构来复现。

2 PyTorch实现CSPDarkNet

这个复现包括了全局池化和全连接层，YOLOv4中使用CSP-DarkNet只使用之前的卷积层用作特征提取。

2.1 Mish激活函数和BN_CONV_Mish结构

class Mish(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Mish, self).__init__()

    def forward(self, x):
        return x * torch.tanh(F.softplus(x))


class BN_Conv_Mish(nn.Module):
    def __init__(self, in_channels, out_channels, kernel_size, stride, padding, dilation=1, groups=1, bias=False):
        super(BN_Conv_Mish, self).__init__()
        self.conv = nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size, stride, padding, dilation=dilation,
                              groups=groups, bias=bias)
        self.bn = nn.BatchNorm2d(out_channels)

    def forward(self, x):
        out = self.bn(self.conv(x))
        return Mish()(out)

2.2 Basic block

使用的是残差结构，要注意的是：按照residual block的一贯思路，shortcut之前的最后一层卷积使用线性激活（不适使用激活函数）。

class ResidualBlock(nn.Module):
    """
    basic residual block for CSP-Darknet
    """
    def __init__(self, chnls, inner_chnnls=None):
        super(ResidualBlock, self).__init__()
        if inner_chnnls is None:
            inner_chnnls = chnls
        self.conv1 = BN_Conv_Mish(chnls, inner_chnnls, 1, 1, 0)     # always use samepadding
        self.conv2 = nn.Conv2d(inner_chnnls, chnls, 3, 1, 1, bias=False)
        self.bn = nn.BatchNorm2d(chnls)

    def forward(self, x):
        out = self.conv1(x)
        out = self.conv2(out)
        out = self.bn(out) + x
        return Mish()(out)

2.3 CSP-DarkNet

按照上图的结构实现CSP结构并搭建网络。需要注意的是，第一个CSP结构和后面的有略微差别：

class CSPFirst(nn.Module):
    """
    First CSP Stage
    """
    def __init__(self, in_chnnls, out_chnls):
        super(CSPFirst, self).__init__()
        self.dsample = BN_Conv_Mish(in_chnnls, out_chnls, 3, 2, 1)     # same padding
        self.trans_0 = BN_Conv_Mish(out_chnls, out_chnls, 1, 1, 0)
        self.trans_1 = BN_Conv_Mish(out_chnls, out_chnls, 1, 1, 0)
        self.block = ResidualBlock(out_chnls, out_chnls//2)
        self.trans_cat = BN_Conv_Mish(2*out_chnls, out_chnls, 1, 1, 0)

    def forward(self, x):
        x = self.dsample(x)
        out_0 = self.trans_0(x)
        out_1 = self.trans_1(x)
        out_1 = self.block(out_1)
        out = torch.cat((out_0, out_1), 1)
        out = self.trans_cat(out)
        return out


class CSPStem(nn.Module):
    """
    CSP structures including downsampling
    """
    
    def __init__(self, in_chnls, out_chnls, num_block):
        super(CSPStem, self).__init__()
        self.dsample = BN_Conv_Mish(in_chnls, out_chnls, 3, 2, 1)
        self.trans_0 = BN_Conv_Mish(out_chnls, out_chnls//2, 1, 1, 0)
        self.trans_1 = BN_Conv_Mish(out_chnls, out_chnls//2, 1, 1, 0)
        self.blocks = nn.Sequential(*[ResidualBlock(out_chnls//2) for _ in range(num_block)])
        self.trans_cat = BN_Conv_Mish(out_chnls, out_chnls, 1, 1, 0)

    def forward(self, x):
        x = self.dsample(x)
        out_0 = self.trans_0(x)
        out_1 = self.trans_1(x)
        out_1 = self.blocks(out_1)
        out = torch.cat((out_0, out_1), 1)
        out = self.trans_cat(out)
        return out


class CSP_DarkNet(nn.Module):
    """
    CSP-DarkNet
    """

    def __init__(self, num_blocks: object, num_classes=1000) -> object:
        super(CSP_DarkNet, self).__init__()
        chnls = [64, 128, 256, 512, 1024]
        self.conv0 = BN_Conv_Mish(3, 32, 3, 1, 1)   # same padding
        self.neck = CSPFirst(32, chnls[0])
        self.body = nn.Sequential(
            *[CSPStem(chnls[i], chnls[i+1], num_blocks[i]) for i in range(4)])
        self.global_pool = nn.AdaptiveAvgPool2d((1, 1))
        self.fc = nn.Linear(chnls[4], num_classes)

    def forward(self, x):
        out = self.conv0(x)
        out = self.neck(out)
        out = self.body(out)
        out = self.global_pool(out)
        out = out.view(out.size(0), -1)
        out = self.fc(out)
        return F.softmax(out)


def csp_darknet_53(num_classes=1000):
    return CSP_DarkNet([2, 8, 8, 4], num_classes)

2.4 测试网络结构

net = csp_darknet_53()
summary(net, (3, 256, 256))