【YOLO系列】YOLO v5（网络结构图+代码）

【YOLO系列】YOLO v3（网络结构图+代码）
【YOLO 系列】YOLO v4-v5先验知识
【YOLO系列】YOLO v4（网络结构图+代码）

我是在自己笔记本上配置的YOLO v5环境。首先，conda创建YOLO v5虚拟环境，克隆
ultralytics/yolov5项目，pip install -r requirements.txt安装所需库文件。

YOLO v5提供了五个不同大小的预训练模型，分别是YOLOv5n、YOLOv5s、YOLOv5m、YOLOv5l和YOLOv5x。这五个模型的参数量、mAP和推理速度如下所示：

这五个模型的网络结构是一样的，不一样的就是通道数和宽度不一样，受depth_multiple和width_multiple两个因子影响。

模型	depth multiple	width multiple
YOLOv5n	0.33	0.25
YOLOv5s	0.33	0.50
YOLOv5m	0.67	0.75
YOLOv5l	1.0	1.0
YOLOv5x	1.33	1.25

推理

我笔记本的CPU为Inter i7-7700HQ，使用detect.py进行推理。预训练权重选择yolov5x.pt，推理图像默认来自于"\data\images"文件夹下。推理命令行如下所示：

python detect.py --weights models/yolov5x.pt --device cpu --view-img

推理时，会输出每张图片前处理后的图片大小，检测结果和推理时间。官方给出的YOLOv5x在CPU上的推理时间为766ms，可能笔记本的CPU太弱了吧，这两张图片的推理时间在1.5s~2.0s之内。

image 1/2 F:\yolov5\data\images\bus.jpg: 640x480 4 persons, 1 bus, 1973.8ms
image 2/2 F:\yolov5\data\images\zidane.jpg: 384x640 3 persons, 2 ties, 1565.6ms
Speed: 0.5ms pre-process, 1769.7ms inference, 7.8ms NMS per image at shape (1, 3, 640, 640)

bus图片推理结果展示	zidane图片推理结果展示

转换onnx

YOLO v5的模型配置是yaml文件，为了能直观地查看YOLO v5的网络结构，需要将预训练pt模型转换成onnx的格式。onnx的算子版本默认为17，这里设置算子版本为11。

python export.py --weights models/yolov5x.pt --device cpu --opset=11 --include onnx

然后使用生成的onnx文件进行推理，测试一下生成的onnx文件是否正确。

F:\yolov5>python detect.py --weights models/yolov5x.onnx --device cpu --view-img

网络架构

YOLO v5的网络结构也清晰地分为backbone、Neck和Head三部分。YOLO v5第一版于2020年6月发布，距今已有三年，这三年YOLO v5也从第一版已更新到第七版。在前四版时，对PAN和CSP都进行了更新。在第四版时，使用SiLU激活函数代替LeakyReLU和Hardswish激活函数。在第六版时，使用一个Conv(k=6, s=2, p=2) 卷积层替代Focus结构；使用SPPF替代SPP结构。还有一些其他更改，目的都是为了使得YOLO v5模型更轻量、更快和更准确。

自YOLO v5模型第六版之后，backbone、neck和Head的结构就如下所示了。

• Backbone: New CSP-Darknet 53
• Neck: SPPF, New CSP-PAN
• Head: YoLo v3 Head

下图是YOLOv5l的网络架构，YOLO v5在Head时，使用C3结构替代YOLOv3和YOLOv4 head和neck的五层卷积。

SPP VS SPPF

SPP	SPPF

SPPF比SPP的运行时间快2倍。SPP的三个最大池化层的size是不一样的，但是输入是一样的；SPPF的三个最大池化层的size是一样的，后续两个最大池化的输入是前一个最大池化层的输出。

AutoAnchor

在YOLO v5中，默认使用autoAnchor，不用手工选择anchor boxes，使用k-means聚类算法在训练集上自动寻找anchor boxes。训练时设置noautoanchor，才能使用自定义的anchor boxes。

parser.add_argument(‘–noautoanchor’, action=‘store_true’, help=‘disable AutoAnchor’)

autoAnchor在yaml配置文件中设置如下所示。其中3表示每个输出层分配3个anchor大小。

anchors: 3 # AutoAnchor evolves 3 anchors per P output layer

k-means是非常经典的聚类方法，通过计算样本之间的距离将相近的样本聚到同一类别。auto anchor的计算函数为utils/autoanchors.py文件的kmean_anchors。源代码有些长，我只截取了k-means计算auto anchor的核心部分和进化算法中的适应度计算。

def metric(k, wh):  # compute metrics
    """
    k: anchor框
    wh: 整个数据集的 wh [N, 2]
    x: [N, 9] N个 gt boxes 与所有 anchor boxes的宽比或高比(两者之中较小者)
    x.max(1)[0]: [N] N个 gt boxes 与所有 anchor boxes中的最大宽比或高比(两者之中较小者)
    """
    r = wh[:, None] / k[None]  # 两者的重合程度越高，越趋近1
    x = torch.min(r, 1 / r).min(2)[0]  # ratio metric
    return x, x.max(1)[0]  # x, best_x

def anchor_fitness(k):  # mutation fitness
    #适应度计算 用于遗传算法中衡量突变是否有效的标注 优胜劣汰
    _, best = metric(torch.tensor(k, dtype=torch.float32), wh)
    return (best * (best > thr).float()).mean()  # fitness

# 得到数据集中所有图像的wh
shapes = img_size * dataset.shapes / dataset.shapes.max(1, keepdims=True) # 将图片的长边缩放到img_size,相应地缩放短边
wh0 = np.concatenate([l[:, 3:5] * s for s, l in zip(shapes, dataset.labels)])  # 将图片中gt boxes的wh缩放到shapes尺度。 dataset.labels其中格式为[类别，x, y , w, h]，xywh均已经归一化了

# Filter
i = (wh0 < 3.0).any(1).sum() # 统计gt boxes中w和h小于3像素的个数
if i:
    LOGGER.info(f'{PREFIX}WARNING ⚠️ Extremely small objects found: {i} of {len(wh0)} labels are <3 pixels in size')
# 筛选大于2像素的gt boxes用作聚类
wh = wh0[(wh0 >= 2.0).any(1)].astype(np.float32)  # filter > 2 pixels

# Kmeans init
try:
    LOGGER.info(f'{PREFIX}Running kmeans for {n} anchors on {len(wh)} points...')
    assert n <= len(wh)  # apply overdetermined constraint
    # 计算wh的标准差
    s = wh.std(0)  # sigmas for whitening
    # 聚类
    k = kmeans(wh / s, n, iter=30)[0] * s  # points
    assert n == len(k)  # kmeans may return fewer points than requested if wh is insufficient or too similar
except Exception:
    LOGGER.warning(f'{PREFIX}WARNING ⚠️ switching strategies from kmeans to random init')
    k = np.sort(npr.rand(n * 2)).reshape(n, 2) * img_size  # random init
wh, wh0 = (torch.tensor(x, dtype=torch.float32) for x in (wh, wh0))
k = print_results(k, verbose=False)

Loss

YOLO v5的loss也由三部分组成，Classes loss和Objectness loss都使用的是BCE loss，Location loss为CIoU loss。三个预测层的Objectness loss是有不同权重的，小中大分别是[4.0, 1.0, 0.4]。

YOLO v5更新了YOLO v3中已知偏移量$c_x,c_y,t_w,t_h$计算预测bbox的公式，公式对比如下所示：

YOLO v3	YOLO v5

更新公式之后，中心点偏移量的取值范围由$\left(0,1\right)$调整到$\left(-0.5,1.5\right)$，因此，偏移量更容易得到0或者1。在YOLO v3的box方程中，宽度和高度无上限，这是一个严重的缺陷，它可能会导致梯度失控、不稳定性、NaN loss等问题，并最终导致无效训练。

中心点对比	宽度和高度对比

参考

1. ultralytics/yolov5
2. Architecture Summary