Yolov5s算法从训练到部署

本文主要介绍的是使用PyTorch开源神经网络框架GPU版本训练自己制作数据集的Yolov5s目标检测算法，并量化转化为瑞芯微RK系列搭载的NPU加速单元可以推理的rknn格式模型全流程。

PyTorch GPU环境搭建

使用Anaconda虚拟Python环境，在此环境上安装相应显卡驱动版本的PyTorch GPU版本，在PyCharm上训练测试。

查看显卡CUDA版本

显卡型号可以去设备管理器中查看，显卡驱动以及CUDA版本可以在cmd输入以下命令查看：

nvidia-smi

可以根据结果看到驱动版本以及CUDA版本，这个CUDA版本要记好，是最高支持的CUDA版本，安装PyTorch时，要安装CUDA版本以下的，根据我的情况，我在接下来要安装CUDA11.2以下版本的PyTorch。

Anaconda安装

去Anaconda官网下载就好，Anaconda | The World’s Most Popular Data Science Platform，，傻瓜式安装。

PyTorch环境安装

上一步Anaconda安装好后，会在开始栏中有Anaconda终端 Anaconda Prompt，后面会经常使用，可以在桌面上创建一个快捷方式，打开。

可以使用如下命令查看有哪些环境存在：

conda env list

新装的肯定只有一个base环境，我们可以再创建一个pytorch虚拟环境来专门安装PyTorch，我的理解是Anaconda相当于VMware一样，WMware是虚拟出操作系统，Anaconda是虚拟出不同的Python环境，我们当然可以在Anaconda下创建多个环境来安装不同版本的PyTorch。

创建一个名叫pytorch（随意）的Python3.8的虚拟环境：

conda create -n pytorch python=3.8

当安装好之后呢，就会多出来一个与base并列的pytorch环境，切换到此环境上：

conda activate pytorch

下面就到了安装PyTorch-GPU的环境了，可能会出现各种各样的问题，出现的问题也都不一样，主要还是因为PyTorch包在国外。

给环境换国内源；

conda config --add channels https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/free/
conda config --add channels https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/main/
conda config --add channels https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/cloud/pytorch/
conda config --set show_channel_urls yes

生成的配置在系统用户.condarc文件下，也可直接更改此文件。

然后去PyTorch官网PyTorch去找适合自己显卡CUDA版本的安装命令，最新版可能没有适合的版本，去历史版本中Previous PyTorch Versions | PyTorch去寻找，

我发现这一版本挺合适：

conda install pytorch==1.10.1 torchvision==0.11.2 torchaudio==0.10.1 cudatoolkit=10.2 -c pytorch

一定不要把后面的 '-c pytorch (有的版本还有-c conda-forge)'也复制下来，因为这样还是在国外源中下载。pytorch虚拟环境中运行：

conda install pytorch==1.10.1 torchvision==0.11.2 torchaudio==0.10.1 cudatoolkit=10.2

这里总结下可能出现的问题以及解决办法：

• 安装过程中不能科学上网
• 可能要安装的版本镜像内没有，换其他镜像
• 当前网络频繁访问镜像，被拒绝访问了，换一个网络试试
• 实在安装不成功也可离线安装

PyCharm中验证

在官网中傻瓜式安装，安装免费社区版就已经够用了。

新建一个工程后，选择在Anaconda里已经安装了PyTorch的虚拟环境：

验证脚本：

import torch
print(torch.cuda.is_available())
print(torch.backends.cudnn.is_available())
print(torch.cuda_version)
print(torch.backends.cudnn.version())

如果打印的是false，也就是没调用GPU版本的，很有可能是安装了有cpuonly的模块，使用 conda list查看，如果有，用 conda uninstall cpuonly 就好了！

训练算法模型

这里以训练口罩算法模型为例。

克隆Yolov5代码工程

去github仓库克隆GitHub - ultralytics/yolov5 at v5.0这个版本即可。

把工程下repuirements.txt依赖包安装一下：

pip install -r requirements.txt -i http://pypi.douban.com/simple/ --trusted-host pypi.douban.com
阿里云 http://mirrors.aliyun.com/pypi/simple/
中国科技大学 https://pypi.mirrors.ustc.edu.cn/simple/
豆瓣(douban) http://pypi.douban.com/simple/
清华大学 https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple/
中国科学技术大学 http://pypi.mirrors.ustc.edu.cn/simple/

制作数据集

首先要准备含有检测目标（戴口罩和不带口罩）的图片集，这里我使用OpenCV库写了一个小工具，显示摄像头实时视频流，按下空格键就会保存当前图片帧数据以当前时间戳的方式命名（不会造成重复）保存到指定文件夹。

/***********************************************************************************************************
 *** @Description: 从videoUrl中按下空格截取图片到directory目录中，以时间戳命名
 *** @param {string} &videoUrl 视频流
 *** @param {string} &directory 截取图片保存目录
 *** @return {void}
 ***********************************************************************************************************/
void capture_imgs(const std::string &videoUrl, const std::string &directory)
{
    cv::Mat frame;
    int key;
    datetime_t dt;
    string imgName;
    char buf1[DATETIME_FMT_BUFLEN];
    cv::VideoCapture capture;
    if(videoUrl.size()&&videoUrl.front()=='0')
    {
        capture.open(atoi(videoUrl.c_str()));
    }
    else
    {
        capture.open(videoUrl);
    }
    if (!capture.isOpened())
    {
        printf("could not read this video file...\n");
        return;
    }
    int fps = capture.get(cv::CAP_PROP_FPS);
    int delay = 1;
    if (fps)
    {
        delay = 1000 / fps;
        cout << "delay:" << delay << endl;
        cout << "fps:" << fps << endl;
    }
    mkdir(directory.c_str());
    while (1)
    {
        if (capture.read(frame))
        {
            imshow(videoUrl, frame);
            key = waitKey(1);
            if (key == 27)
            {
                break;
            }
            else if (key == 32) // 空格
            {
                dt = datetime_now();
                imgName = datetime_fmt_iso(&dt, buf1);
                string filePath = directory + imgName;
                filePath.pop_back();
                filePath += ".jpg";
                filePath = regex_replace(filePath, regex(":"), "-");
                printf("imgname:%s\n", filePath.c_str());
                if (imwrite(filePath, frame))
                {
                    printf("save success!\n");
                }
                else
                {
                    printf("save fail!\n");
                }
            }
        }
        else
        {
            capture.release(); // 必须加release释放，否则会内存泄漏
            cout << "未获取到帧数据,重新获取打开" << endl;
            if (videoUrl.size() && videoUrl.front() == '0')
            {
                capture.open(atoi(videoUrl.c_str()));
            }
            else
            {
                capture.open(videoUrl);
            }
        }
    }
}

然后使用labelImg目标检测标注工具生成这些图片的标签文件，注意labelImg必须是Python3.9的版本，我们可以使用Anaconda虚拟出来一个，手动绘制图片内所有戴口罩或不带口罩区域，然后选择标签，绘制出图片区域内所有目标，切换下一张图片后，会自动生成Yolov5s支持的YOLO格式标签文件。标注界面如下图所示：

YOLO标签格式为： ，object-class是目标类型的整形索引，x、y是目标的中心坐标，width、height是目标的宽和高。这些坐标是通过归一化处理，其中x、width是使用原图的width进行归一化处理；而y、height是使用原图的height进行归一化处理得到的。以上图生成的标签为例，生成的标签为：1 0.576302 0.344907 0.096354 0.184259，说明如下表所示：

1	0.576302	0.344907	0.096354	0.184259
标签的类别	框的中心横坐标与图像宽度之比	框的中心横坐标与图像宽度之比	框的宽度	框的高度

结构：

imgs：要标注的图片存放目录

labels：生成的标签文件存放目录

classes.txt：标签目录，增加这个的好处是在labelImg中可以直接选择，而不用在再输入标签。

划分训练集、验证集

把生成的标签文件与图像集还要划分为训练集与验证集，这里我写了一个脚本使用随机种子数按照训练集与验证集以3：1的比例随机划分，我看网上有些教程需要先将yolo格式（txt）转为voc格式（xml），再用代码直接将voc格式转为yolo并直接划分训练集与验证集，不然会出错，我认为完全没有这个必要，我也验证过，下面的代码就是yolo直接划分，没有一点问题，就算是手动不用程序划分也是没问题的。

import xml.etree.ElementTree as ET
import pickle
import os
from os import listdir, getcwd
from os.path import join
import random
from shutil import copyfile
import shutil
classes = ["no_mask", "mask"]
TRAIN_RATIO = 75    #训练集所占比例
def clear_hidden_files(path):
    dir_list = os.listdir(path)
    for i in dir_list:
        abspath = os.path.join(os.path.abspath(path), i)
        if os.path.isfile(abspath): #文件
            if i.startswith("._"):
                os.remove(abspath)
        else:   #文件夹
            clear_hidden_files(abspath)
def convert(size, box):
    dw = 1. / size[0]
    dh = 1. / size[1]
    x = (box[0] + box[1]) / 2.0
    y = (box[2] + box[3]) / 2.0
    w = box[1] - box[0]
    h = box[3] - box[2]
    x = x * dw
    w = w * dw
    y = y * dh
    h = h * dh
    return (x, y, w, h)
def convert_annotation(image_id):
    in_file = open('./data/source/voc/%s.xml' % image_id)   #voc格式
    out_file = open('./data/source/yolo/%s.txt' % image_id, 'w') #yolo格式
    tree = ET.parse(in_file)
    root = tree.getroot()
    size = root.find('size')
    w = int(size.find('width').text)
    h = int(size.find('height').text)

    for obj in root.iter('object'):
        difficult = obj.find('difficult').text
        cls = obj.find('name').text
        if cls not in classes or int(difficult) == 1:
            continue
        cls_id = classes.index(cls)
        xmlbox = obj.find('bndbox')
        b = (float(xmlbox.find('xmin').text), float(xmlbox.find('xmax').text), float(xmlbox.find('ymin').text),
             float(xmlbox.find('ymax').text))
        bb = convert((w, h), b)
        out_file.write(str(cls_id) + " " + " ".join([str(a) for a in bb]) + '\n')
    in_file.close()
    out_file.close()

wd = os.getcwd()
data_base_dir = os.path.join(wd, "./data/")
if not os.path.isdir(data_base_dir):
    os.mkdir(data_base_dir)
work_sapce_dir = os.path.join(data_base_dir, "source/")
if not os.path.isdir(work_sapce_dir):
    os.mkdir(work_sapce_dir)
image_dir = os.path.join(work_sapce_dir, "imgs/")
if not os.path.isdir(image_dir):
    print("没有图片文件夹！\n")
    exit(0)
clear_hidden_files(image_dir)
yolo_labels_dir = os.path.join(work_sapce_dir, "yolo/")
if not os.path.isdir(yolo_labels_dir):
    print("没有yolo标签文件夹")
    exit(0)
clear_hidden_files(yolo_labels_dir)

yolov5_images_dir = os.path.join(data_base_dir, "images/")
if os.path.isdir(yolov5_images_dir):
    shutil.rmtree(yolov5_images_dir)
os.mkdir(yolov5_images_dir)
clear_hidden_files(yolov5_images_dir)

yolov5_labels_dir = os.path.join(data_base_dir, "labels/")
if os.path.isdir(yolov5_labels_dir):
        shutil.rmtree(yolov5_labels_dir)
os.mkdir(yolov5_labels_dir)
clear_hidden_files(yolov5_labels_dir)

yolov5_images_train_dir = os.path.join(yolov5_images_dir, "train/")
if not os.path.isdir(yolov5_images_train_dir):
    os.mkdir(yolov5_images_train_dir)
clear_hidden_files(yolov5_images_train_dir)
yolov5_images_test_dir = os.path.join(yolov5_images_dir, "verify/")
if not os.path.isdir(yolov5_images_test_dir):
    os.mkdir(yolov5_images_test_dir)
clear_hidden_files(yolov5_images_test_dir)
yolov5_labels_train_dir = os.path.join(yolov5_labels_dir, "train/")
if not os.path.isdir(yolov5_labels_train_dir):
    os.mkdir(yolov5_labels_train_dir)
clear_hidden_files(yolov5_labels_train_dir)
yolov5_labels_test_dir = os.path.join(yolov5_labels_dir, "verify/")
if not os.path.isdir(yolov5_labels_test_dir):
    os.mkdir(yolov5_labels_test_dir)
clear_hidden_files(yolov5_labels_test_dir)

train_file = open(os.path.join(wd, "yolov5_train.txt"), 'w')
verify_file = open(os.path.join(wd, "yolov5_verify.txt"), 'w')
# train_file.close()
# verify_file.close()
# train_file = open(os.path.join(wd, "yolov5_train.txt"), 'a')
# verify_file = open(os.path.join(wd, "yolov5_verify.txt"), 'a')
list_imgs = os.listdir(image_dir)  # list image files

for i in range(0, len(list_imgs)):
    path = os.path.join(image_dir, list_imgs[i])
    if os.path.isfile(path):
        image_path = image_dir + list_imgs[i]
        image_name = list_imgs[i]
        (nameWithoutExtention, extention) = os.path.splitext(image_name)
        label_name = nameWithoutExtention + '.txt'
        label_path = os.path.join(yolo_labels_dir, label_name)
    else:   #如果不存在图片文件，就不再找标签
        continue
    #随机划分
    prob = random.randint(1, 100)
    print("Probability: %d" % prob)
    if (prob < TRAIN_RATIO):  # train dataset
        if os.path.exists(label_path):
            train_file.write(image_path + '\n')
            copyfile(image_path, yolov5_images_train_dir + image_name)
            copyfile(label_path, yolov5_labels_train_dir + label_name)
    else:  # verify dataset
        if os.path.exists(label_path):
            verify_file.write(image_path + '\n')
            copyfile(image_path, yolov5_images_test_dir + image_name)
            copyfile(label_path, yolov5_labels_test_dir + label_name)
train_file.close()
verify_file.close()

生成的文件结构如下图所示：

修改工程

相关文件配置

预训练权重文件配置

Yolov5又分为Yolov5s、Yolov5m、Yolov5l、Yolov5x，按照其所含的残差结构的个数依次增多，网络的特征提取、融合能力不断加强，检测精度得到提高，但相应的检测花费的时间和消耗的资源也依次在增加。因为训练出的算法模型最终是要部署到嵌入式神经网络处理器上，考虑到其算力性能以及系统实时性等多方面的考量，最终选择Yolov5s版本来进行。使用预训练权重呢，一般是为了缩短网络的训练时间，达到更好的精度。

我们去GitHub Releases · ultralytics/yolov5 (github.com)找到对应版本的预训练权重 yolov5s.pt，放到weights目录下。

数据文件配置

在data下找到voc.yaml，复制一份再命名为mask.yaml，将其修改为：

# download command/URL (optional)
#download: bash data/scripts/get_voc.sh

# train and val data as 1) directory: path/images/, 2) file: path/images.txt, or 3) list: [path1/images/, path2/images/]
train: divide_yoloData/data/images/train/
val: divide_yoloData/data/images/verify/

# number of classes
nc: 2

# class names
names: [ 'no_mask', 'mask']

注释到下载字段，train字段存放训练集图片目录，val字段存放验证集图片目录，刚开始很好奇不用配置标签目录，我的理解是会自动寻找labels目录。

模型文件配置

在models目录下找到yolov5s.yaml，复制一份命名为mask.yaml，把nc字段修改为2即可。

超参数配置

找到train.py的main函数入口，修改几个超参数，模型主要参数解析如下：

    opt模型主要参数解析：
    --weights：初始化的权重文件的路径地址
    --cfg：模型yaml文件的路径地址
    --data：数据yaml文件的路径地址
    --hyp：超参数文件路径地址
    --epochs：训练轮次
    --batch-size：喂入批次文件的多少
    --img-size：输入图片尺寸
    --rect:是否采用矩形训练，默认False
    --resume:接着打断训练上次的结果接着训练
    --nosave:不保存模型，默认False
    --notest:不进行test，默认False
    --noautoanchor:不自动调整anchor，默认False
    --evolve:是否进行超参数进化，默认False
    --bucket:谷歌云盘bucket，一般不会用到
    --cache-images:是否提前缓存图片到内存，以加快训练速度，默认False
    --image-weights：使用加权图像选择进行训练
    --device:训练的设备，cpu；0(表示一个gpu设备cuda:0)；0,1,2,3(多个gpu设备)
    --multi-scale:是否进行多尺度训练，默认False
    --single-cls:数据集是否只有一个类别，默认False
    --adam:是否使用adam优化器
    --sync-bn:是否使用跨卡同步BN,在DDP模式使用
    --local_rank：DDP参数，请勿修改
    --workers：最大工作核心数
    --project:训练模型的保存位置
    --name：模型保存的目录名称
    --exist-ok：模型目录是否存在，不存在就创建

将预训练权重的相对路径放到这里：

parser.add_argument('--weights', type=str, default='weights/yolov5s.pt', help='initial weights path')

将数据文件、模型文件分别放到这里：

parser.add_argument('--cfg', type=str, default='models/mask.yaml', help='model.yaml path')
parser.add_argument('--data', type=str, default='data/mask.yaml', help='data.yaml path')

epochs训练次数、batch-size每次投入的图片次数、workers CPU的核心数，都要根据自己的电脑配置情况改。

超参数配置完成后，就可以开始训练了，如果报错可能是以下问题：

• 在utils路径下找到datasets.py这个文件，将里面的81行里面的参数num_workers改成0

• 添加SPPF类，需要到github下载yolov5-6.0,打开文件找到models文件下的common.py，到里面复制SPPF类，并将这段代码(下面)复制到自己项目文件的models/common.py里去，放在了149的SPP类之后。

  class SPPF(nn.Module):
      # Spatial Pyramid Pooling - Fast (SPPF) layer for YOLOv5 by Glenn Jocher
      def __init__(self, c1, c2, k=5):  # equivalent to SPP(k=(5, 9, 13))
          super().__init__()
          c_ = c1 // 2  # hidden channels
          self.cv1 = Conv(c1, c_, 1, 1)
          self.cv2 = Conv(c_ * 4, c2, 1, 1)
          self.m = nn.MaxPool2d(kernel_size=k, stride=1, padding=k // 2)
  
      def forward(self, x):
          x = self.cv1(x)
          with warnings.catch_warnings():
              warnings.simplefilter('ignore')  # suppress torch 1.9.0 max_pool2d() warning
              y1 = self.m(x)
              y2 = self.m(y1)
              return self.cv2(torch.cat([x, y1, y2, self.m(y2)], 1))
  

然后就可以愉快的去玩耍，让电脑吭哧吭哧的训练模型了。

如果想要停止后接着上次的结果继续训练，当然也是可以的，好像就算更新过数据集后也是可以接着训练的，步骤：

1. 找到exp数值最大的目录下的opt.yaml文件，修改你想改的配置（epochs、batch-size等）
2. 把超参数 --resume 改为True

测试训练出来的算法模型

训练结束后可以在终端输入以下命令启用tensorbord查看训练结果：

tensorboard --logdir=runs

打开网址就可以看到，里面有很多图表，很多也看不懂什么意思。

训练好的模型在 runs/train/exp数字最大/weights 的目录下，有最后一次（last）和最好的（best）两个模型。

在detect.py下可以测试算法，–weights 配置为算法模型文件的路径，–source 配置为要推理的数据来源，可以为图片、电脑摄像头（0）、RTSP网络摄像头等。

测了一下训练出来的还是还不错的。

量化转换算法模型

训练出来pt格式的算法模型的Tensor精度是单精度浮点型的float32，而RK系列支持的是整型的uint8，想要最终部署到板子中，还需要进行一系列量化最终转换为rknn格式的算法模型。

pt转onnx

工程下的models/export.py，–weights 配置为算法模型文件的路径，此外还需要修改models/yolo.py文件的后处理部分，将class Detect(nn.Module) 类的子函数forward改为（训练的时候不能改）：

def forward(self, x):
        z = []  # inference output
        for i in range(self.nl):
            x[i] = self.m[i](x[i])  # conv
        return x

然后根据介绍执行脚本即可完成转换。

onnx转rknn

需要用到RKNN Toolkit，RK不同系列板子用到的版本不一样，在Windows、Ubuntu系统都可以完成转换，但windows系统不支持模拟仿真功能不全，所以最好是在Ubuntu上进行。

我是在Ubuntu20.04上安装的，在Anaconda上虚拟出的Python3.8环境中安装所需依赖。

GitHub仓库中doc有pdf中文手册专门讲解Toolkit

在example/onnx/yolov5工程下，把onnx模型路径、带预测图片路径、标签类别、板子平台更改下运行即可完成onnx到rknn的转换。

量化转换后的rknn模型通过Netron神经网络可视化工具可以查看网络结构以及模型参数：

从上图可以看出算法模型已经量化为uint8精度，支持板子Tensor整形精度。

部署到RK系列板子

在GitHub仓库rknpu、rknpu2、RK3399Pro_npu有各自板子适用的python、c++版本npu推理例程。

GitHub - rockchip-linux/rknpu

例程一般都是推理图片的，可以先根据例程把推理流程给熟悉一下给跑通，然后再进行拉取摄像头流实时推理、多流多算法等更进一步的探索。