YOLO系列：详细解读YOLOv8的改进模块！
回顾一下YOLOv5，不然没机会了
这里粗略回顾一下，这里直接提供YOLOv5的整理的结构图吧：
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Backbone：CSPDarkNet结构，主要结构思想的体现在C3模块，这里也是梯度分流的主要思想所在的地方；
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PAN-FPN：双流的FPN，必须香，也必须快，但是量化还是有些需要图优化才可以达到最优的性能，比如cat前后的scale优化等等，这里除了上采样、CBS卷积模块，最为主要的还有C3模块（记住这个C3模块哦）；
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Head：Coupled Head+Anchor-base，毫无疑问，YOLOv3、YOLOv4、YOLOv5、YOLOv7都是Anchor-Base的，后面会变吗？
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Loss：分类用BEC Loss，回归用CIoU Loss。
话不多说，直接YOLOv8吧！
直接上YOLOv8的结构图吧，小伙伴们可以直接和YOLOv5进行对比，看看能找到或者猜到有什么不同的地方？
下面就直接揭晓答案吧，具体改进如下：
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Backbone：使用的依旧是CSP的思想，不过YOLOv5中的C3模块被替换成了C2f模块，实现了进一步的轻量化，同时YOLOv8依旧使用了YOLOv5等架构中使用的SPPF模块；
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PAN-FPN：毫无疑问YOLOv8依旧使用了PAN的思想，不过通过对比YOLOv5与YOLOv8的结构图可以看到，YOLOv8将YOLOv5中PAN-FPN上采样阶段中的卷积结构删除了，同时也将C3模块替换为了C2f模块；
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Decoupled-Head：是不是嗅到了不一样的味道？是的，YOLOv8走向了Decoupled-Head；
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Anchor-Free：YOLOv8抛弃了以往的Anchor-Base，使用了Anchor-Free的思想；
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损失函数：YOLOv8使用VFL Loss作为分类损失，使用DFL Loss+CIOU Loss作为分类损失；
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样本匹配：YOLOv8抛弃了以往的IOU匹配或者单边比例的分配方式，而是使用了Task-Aligned Assigner匹配方式。
1、C2f模块是什么？与C3有什么区别？
我们不着急，先看一下C3模块的结构图，然后再对比与C2f的具体的区别。针对C3模块，其主要是借助CSPNet提取分流的思想，同时结合残差结构的思想，设计了所谓的C3 Block，这里的CSP主分支梯度模块为BottleNeck模块，也就是所谓的残差模块。同时堆叠的个数由参数n来进行控制，也就是说不同规模的模型，n的值是有变化的。
其实这里的梯度流主分支，可以是任何之前你学习过的模块，比如，美团提出的YOLOv6中就是用来重参模块RepVGGBlock来替换BottleNeck Block来作为主要的梯度流分支，而百度提出的PP-YOLOE则是使用了RepResNet-Block来替换BottleNeck Block来作为主要的梯度流分支。而YOLOv7则是使用了ELAN Block来替换BottleNeck Block来作为主要的梯度流分支。
C3模块的Pytorch的实现如下：
class C3(nn.Module):
# CSP Bottleneck with 3 convolutions
def __init__(self, c1, c2, n=1, shortcut=True, g=1, e=0.5): # ch_in, ch_out, number, shortcut, groups, expansion
super().__init__()
c_ = int(c2 * e) # hidden channels
self.cv1 = Conv(c1, c_, 1, 1)
self.cv2 = Conv(c1, c_, 1, 1)
self.cv3 = Conv(2 * c_, c2, 1) # optional act=FReLU(c2)
self.m = nn.Sequential(*(Bottleneck(c_, c_, shortcut, g, e=1.0) for _ in range(n)))
def forward(self, x):
return self.cv3(torch.cat((self.m(self.cv1(x)), self.cv2(x)), 1))
下面就简单说一下C2f模块，通过C3模块的代码以及结构图可以看到，C3模块和名字思路一致，在模块中使用了3个卷积模块（Conv+BN+SiLU），以及n个BottleNeck。
通过C3代码可以看出，对于cv1卷积和cv2卷积的通道数是一致的，而cv3的输入通道数是前者的2倍，因为cv3的输入是由主梯度流分支（BottleNeck分支）依旧次梯度流分支（CBS，cv2分支）cat得到的，因此是2倍的通道数，而输出则是一样的。
不妨我们再看一下YOLOv7中的模块：
YOLOv7通过并行更多的梯度流分支，放ELAN模块可以获得更丰富的梯度信息，进而或者更高的精度和更合理的延迟。
C2f模块的结构图如下：
我们可以很容易的看出，C2f模块就是参考了C3模块以及ELAN的思想进行的设计，让YOLOv8可以在保证轻量化的同时获得更加丰富的梯度流信息。
C2f模块对应的Pytorch实现如下：
class C2f(nn.Module):
# CSP Bottleneck with 2 convolutions
def __init__(self, c1, c2, n=1, shortcut=False, g=1, e=0.5): # ch_in, ch_out, number, shortcut, groups, expansion
super().__init__()
self.c = int(c2 * e) # hidden channels
self.cv1 = Conv(c1, 2 * self.c, 1, 1)
self.cv2 = Conv((2 + n) * self.c, c2, 1) # optional act=FReLU(c2)
self.m = nn.ModuleList(Bottleneck(self.c, self.c, shortcut, g, k=((3, 3), (3, 3)), e=1.0) for _ in range(n))
def forward(self, x):
y = list(self.cv1(x).split((self.c, self.c), 1))
y.extend(m(y[-1]) for m in self.m)
return self.cv2(torch.cat(y, 1))
SPPF改进了什么？
这里讲解的文章就很多了，这里也就不具体描述了，直接给出对比图了
上图中，左边是SPP，右边是SPPF。
PAN-FPN改进了什么？
我们先看一下YOLOv5以及YOLOv6的PAN-FPN部分的结构图：
YOLOv5的Neck部分的结构图如下：
YOLOv6的Neck部分的结构图如下：
我们再看YOLOv8的结构图：
可以看到，相对于YOLOv5或者YOLOv6，YOLOv8将C3模块以及RepBlock替换为了C2f，同时细心可以发现，相对于YOLOv5和YOLOv6，YOLOv8选择将上采样之前的1×1卷积去除了，将Backbone不同阶段输出的特征直接送入了上采样操作。
Head部分都变了什么呢？
先看一下YOLOv5本身的Head（Coupled-Head）：
而YOLOv8则是使用了Decoupled-Head，同时由于使用了DFL 的思想，因此回归头的通道数也变成了4*reg_max的形式：
对比一下YOLOv5与YOLOv8的YAML
损失函数
对于YOLOv8，其分类损失为VFL Loss，其回归损失为CIOU Loss+DFL的形式，这里Reg_max默认为16。
VFL主要改进是提出了非对称的加权操作，FL和QFL都是对称的。而非对称加权的思想来源于论文PISA，该论文指出首先正负样本有不平衡问题，即使在正样本中也存在不等权问题，因为mAP的计算是主正样本。
q是label，正样本时候q为bbox和gt的IoU，负样本时候q=0，当为正样本时候其实没有采用FL，而是普通的BCE，只不过多了一个自适应IoU加权，用于突出主样本。而为负样本时候就是标准的FL了。可以明显发现VFL比QFL更加简单，主要特点是正负样本非对称加权、突出正样本为主样本。
针对这里的DFL（Distribution Focal Loss），其主要是将框的位置建模成一个 general distribution，让网络快速的聚焦于和目标位置距离近的位置的分布。
DFL 能够让网络更快地聚焦于目标 y 附近的值，增大它们的概率；
DFL的含义是以交叉熵的形式去优化与标签y最接近的一左一右2个位置的概率，从而让网络更快的聚焦到目标位置的邻近区域的分布；也就是说学出来的分布理论上是在真实浮点坐标的附近，并且以线性插值的模式得到距离左右整数坐标的权重。
样本的匹配
标签分配是目标检测非常重要的一环，在YOLOv5的早期版本中使用了MaxIOU作为标签分配方法。然而，在实践中发现直接使用边长比也可以达到一阿姨你的效果。而YOLOv8则是抛弃了Anchor-Base方法使用Anchor-Free方法，找到了一个替代边长比例的匹配方法，TaskAligned。
为与NMS搭配，训练样例的Anchor分配需要满足以下两个规则：
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正常对齐的Anchor应当可以预测高分类得分，同时具有精确定位；
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不对齐的Anchor应当具有低分类得分，并在NMS阶段被抑制。基于上述两个目标，TaskAligned设计了一个新的Anchor alignment metric 来在Anchor level 衡量Task-Alignment的水平。并且，Alignment metric 被集成在了 sample 分配和 loss function里来动态的优化每个 Anchor 的预测。
Anchor alignment metric：
分类得分和 IoU表示了这两个任务的预测效果，所以，TaskAligned使用分类得分和IoU的高阶组合来衡量Task-Alignment的程度。使用下列的方式来对每个实例计算Anchor-level 的对齐程度：
s 和 u 分别为分类得分和 IoU 值，α 和 β 为权重超参。从上边的公式可以看出来，t 可以同时控制分类得分和IoU 的优化来实现 Task-Alignment，可以引导网络动态的关注于高质量的Anchor。
Training sample Assignment：
为提升两个任务的对齐性，TOOD聚焦于Task-Alignment Anchor，采用一种简单的分配规则选择训练样本：对每个实例，选择m个具有最大t值的Anchor作为正样本，选择其余的Anchor作为负样本。然后，通过损失函数(针对分类与定位的对齐而设计的损失函数)进行训练。
参考
[1].https://github.com/uyolo1314/ultralytics.
[2].https://github.com/meituan/YOLOv6.
[3].https://arxiv.org/abs/2209.02976.
[4].https://github.com/PaddlePaddle/PaddleDetection.
[5].https://github.com/PaddlePaddle/PaddleYOLO.
[6].https://github.com/open-mmlab/mmyolo.
下方g众号后台回复【YOLOv8】获取YOLOv8源码以及YOLOv8结构图原图。