Yolov 8源码超详细逐行解读+ 网络结构细讲(自我用的小白笔记)

YOLO V8网络结构

由于作者之前的Yolov8 复现受到了部分好评，所以决定继续从小白学习路线，进行复现代码，磕代码，学理论知识。
代码复现：

完整且详细的Yolov8复现+训练自己的数据集_咕哥的博客-CSDN博客https://blog.csdn.net/chenhaogu/article/details/131161374?spm=1001.2014.3001.5501（若觉得简单易上手，创作不易，请点赞收藏，谢谢大家！）

提示：若只想关注代码讲解，直接从代码讲解部分看即可。作者初衷为“拆封装，看本质，换自己”，在了解核心代码后，用自己的方式重写没有封装的网络结构。

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文章目录

• 一、主体网络结构
• 二、head
• 总结

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一、主体网络结构

1、Backbone：主体是CSPDarkNet结构。

        yolov5和yolov8主体都是该结构，yolov5主要体现思想的结构是c3模块；yolov8主要体现思想的是c2f模块。

2、CSPnet（Cross Stage Partial）：

想要更细致了解的可看知乎一位博主的介绍，非常详细。

CSPNet——PyTorch实现CSPDenseNet和CSPResNeXt - 知乎 (zhihu.com)https://zhuanlan.zhihu.com/p/263555330

总体来说是参考了DenesNet，减少了计算量和增强梯度（不了解DenesNet的同学可以再csdn或者知乎都可以搜到相关论文，若想节省时间简略了解，可加上讲解等字眼。）。可描述为一部分进入卷积网络进行计算，一部分保留最后concat。而在中间过程也有restnet的思想。用一句名言总结莫过于：大肠包小肠。

3、Partial Transition Layer：

对比这四种结构，发现各有其优点。图a是传统的密集型网络思想。图b是图c和图d的综合考虑。图c是part1和part2的大量特征信息最终得以使用，图d这是对一部分进行利用，计算量得以缩小。

4、代码讲解：

（1）网络结构：

（2）网络模型文件保存在models->v8->yolov8.yaml

# YOLOv8.0n backbone
backbone:
  # [from, repeats, module, args]
  - [-1, 1, Conv, [64, 3, 2]]  # 0-P1/2
  - [-1, 1, Conv, [128, 3, 2]]  # 1-P2/4
  - [-1, 3, C2f, [128, True]]
  - [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]]  # 3-P3/8
  - [-1, 6, C2f, [256, True]]
  - [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]]  # 5-P4/16
  - [-1, 6, C2f, [512, True]]
  - [-1, 1, Conv, [1024, 3, 2]]  # 7-P5/32
  - [-1, 3, C2f, [1024, True]]
  - [-1, 1, SPPF, [1024, 5]]  # 9

from：输入。-1表示上层的输出作为本层的输入。

repeats：模块的重复次数。

module：使用的模块。

args：模块里面的参数

计算size的公式：out_size =（ in_size - k +2 * p）/ s + 1

(3)卷积的代码（nn->modules->conv.py）

def autopad(k, p=None, d=1):  # kernel, padding, dilation
    """Pad to 'same' shape outputs."""
    if d > 1:
        k = d * (k - 1) + 1 if isinstance(k, int) else [d * (x - 1) + 1 for x in k]  # actual kernel-size
    if p is None:
        p = k // 2 if isinstance(k, int) else [x // 2 for x in k]  # auto-pad
    return p


class Conv(nn.Module):
    """Standard convolution with args(ch_in, ch_out, kernel, stride, padding, groups, dilation, activation)."""
    default_act = nn.SiLU()  # default activation

    def __init__(self, c1, c2, k=1, s=1, p=None, g=1, d=1, act=True):
        """Initialize Conv layer with given arguments including activation."""
        super().__init__()
        self.conv = nn.Conv2d(c1, c2, k, s, autopad(k, p, d), groups=g, dilation=d, bias=False)
        self.bn = nn.BatchNorm2d(c2)
        self.act = self.default_act if act is True else act if isinstance(act, nn.Module) else nn.Identity()

    def forward(self, x):
        """Apply convolution, batch normalization and activation to input tensor."""
        return self.act(self.bn(self.conv(x)))

    def forward_fuse(self, x):
        """Perform transposed convolution of 2D data."""
        return self.act(self.conv(x))

conv（x）-> bn() -> SiLU()

imput map                                channel：3                     size：640*640

第0层（Conv[3,2,1])                channel：64                    size：320*320

第1层（Conv[3,2,1]）              channel：128                  size：160*160

（4）开始进入核心模块c2f，代码在（nn->modules->block.py）

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):
        """Forward pass through C2f layer."""
        y = list(self.cv1(x).chunk(2, 1))
        y.extend(m(y[-1]) for m in self.m)
        return self.cv2(torch.cat(y, 1))

    def forward_split(self, x):
        """Forward pass using split() instead of chunk()."""
        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))

[-1, 3, C2f, [128, True]]：    3：重复3次C2f；    True:Bottleneck有shortcut

难懂代码在于：

self.m = nn.ModuleList(Bottleneck(self.c, self.c, shortcut, g, k=((3, 3), (3, 3)), e=1.0) for _ in range(n))

n：表示n个bottleneck，假设3个，rang(3) -> m:[Bottleneck,Bottleneck;Bottleneck],m此时相当于一个集成的模块。

可以看到三个通道参数，c1=输入通道数；c2=输出通道数；c=0.5*输出通道数；下面是假设输入为[2,128,160,160]各个块的参数。

        x先经过cv1 ;

        接着开始不同维度的分块，torch.chunk(块数，维度），这里chunk（2，1）是第一维度分成两块；

        m(y[-1]) for m in self.m：意思是把第二块放进n个Bottleneck里,等价于：

##举例对比
    m(y[-1]) for m in self.m                     x*x for x in range(3)
=>
    for m in self.m:                             for x in range(3):
        m(y[-1])                                    print(x*x)

##流程，假设3个Bottleneck

Bottleneck0->m  m(y[-1]);y.extend加上去            0 -> x -> 0*0=0
Bottleneck1->m  m(y[-1]);y.extend加上去            1 -> x -> 1*1=1
Bottleneck2->m  m(y[-1]);y.extend加上去            2 -> x -> 2*2=4

y=[Bottleneck0处理过的第二部分，
   Bottleneck1处理过的第二部分，
   Bottleneck2处理过的第二部分]

        因此，y变成2+n块；

        torch.cat(y, 1) 将y的第一维度拼接在一起（因为上面chnk是在第一维度分割）；

        最后经过cv2,   featuremap.size   128*160*160。

imput map                                channel：3                     size：640*640

第0层（Conv[3,2,1])                channel：64                    size：320*320

第1层（Conv[3,2,1]）              channel：128                  size：160*160

第2层（C2f）* 3                       channel：128                  size：160*160

经过一层Conv

imput map                                channel：3                     size：640*640

第0层（Conv[3,2,1])                channel：64                    size：320*320

第1层（Conv[3,2,1]）              channel：128                  size：160*160

第2层（C2f）* 3                       channel：128                  size：160*160

第3层（Conv[3,2,1]）              channel：256                  size：  80*80

经过6*C2f，这一层后开始进入常见金字塔型结构连接检测头，检测头部份后面再细讲

C2F部分讲解和上面一致，这次是6个重复模块。

imput map                                channel：3                     size：640*640

第0层（Conv[3,2,1])                channel：64                    size：320*320

第1层（Conv[3,2,1]）              channel：128                  size：160*160

第2层（C2f）* 3                       channel：128                  size：160*160

第3层（Conv[3,2,1]）              channel：256                  size：  80*80

第4层（C2f）* 6                       channel：256                  size：   80*80

经过一层Conv

imput map                                channel：3                     size：640*640

第0层（Conv[3,2,1])                channel：64                    size：320*320

第1层（Conv[3,2,1]）              channel：128                  size：160*160

第2层（C2f）* 3                       channel：128                  size：160*160

第3层（Conv[3,2,1]）              channel：256                  size：  80*80

第4层（C2f）* 6                       channel：256                  size：   80*80

第5层（Conv[3,2,1]）              channel：512                  size：  40*40

经过6*C2f

imput map                                channel：3                     size：640*640

第0层（Conv[3,2,1])                channel：64                    size：320*320

第1层（Conv[3,2,1]）              channel：128                  size：160*160

第2层（C2f）* 3                       channel：128                  size：160*160

第3层（Conv[3,2,1]）              channel：256                  size：  80*80

第4层（C2f）* 6                       channel：256                  size：   80*80

第5层（Conv[3,2,1]）              channel：512                  size：  40*40

第6层（C2f）* 6                       channel：512                  size：   40*40

经过一层Conv

imput map                                channel：3                     size：640*640

第0层（Conv[3,2,1])                channel：64                    size：320*320

第1层（Conv[3,2,1]）              channel：128                  size：160*160

第2层（C2f）* 3                       channel：128                  size：160*160

第3层（Conv[3,2,1]）              channel：256                  size：  80*80

第4层（C2f）* 6                       channel：256                  size：   80*80

第5层（Conv[3,2,1]）              channel：512                  size：  40*40

第6层（C2f）* 6                       channel：512                  size：   40*40

第7层（Conv[3,2,1]）              channel：512                  size：  20*20

经过3*C2f

imput map                                channel：3                     size：640*640

第0层（Conv[3,2,1])                channel：64                    size：320*320

第1层（Conv[3,2,1]）              channel：128                  size：160*160

第2层（C2f）* 3                       channel：128                  size：160*160

第3层（Conv[3,2,1]）              channel：256                  size：  80*80

第4层（C2f）* 6                       channel：256                  size：   80*80

第5层（Conv[3,2,1]）              channel：512                  size：  40*40

第6层（C2f）* 6                       channel：512                  size：   40*40

第7层（Conv[3,2,1]）              channel：512                  size：  20*20

第8层（C2f）* 3                       channel：512                  size：   20*20

（6）SPPF，代码在（nn->modules->block.py）

imput map                                channel：3                     size：640*640

第0层（Conv[3,2,1])                channel：64                    size：320*320

第1层（Conv[3,2,1]）              channel：128                  size：160*160

第2层（C2f）* 3                       channel：128                  size：160*160

第3层（Conv[3,2,1]）              channel：256                  size：  80*80

第4层（C2f）* 6                       channel：256                  size：   80*80

第5层（Conv[3,2,1]）              channel：512                  size：  40*40

第6层（C2f）* 6                       channel：512                  size：   40*40

第7层（Conv[3,2,1]）              channel：1024                size：  20*20

第8层（C2f）* 3                       channel：1024                size：   20*20

第9层（SPPF[k=5]）                channel：1024                size：   20*20

 代码：

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):
        """Forward pass through Ghost Convolution block."""
        x = self.cv1(x)
        y1 = self.m(x)
        y2 = self.m(y1)
        return self.cv2(torch.cat((x, y1, y2, self.m(y2)), 1))

maxpool的计算公式：

二、Head

1、已经讲解完backbone，下面讲解一下检测头部分

代码如下：（代码在ultralytics -> models -> v8 ->yolov8.yaml）

# YOLOv8.0n head
head:
  - [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']]
  - [[-1, 6], 1, Concat, [1]]  # cat backbone P4
  - [-1, 3, C2f, [512]]  # 12

  - [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']]
  - [[-1, 4], 1, Concat, [1]]  # cat backbone P3
  - [-1, 3, C2f, [256]]  # 15 (P3/8-small)

  - [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]]
  - [[-1, 12], 1, Concat, [1]]  # cat head P4
  - [-1, 3, C2f, [512]]  # 18 (P4/16-medium)

  - [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]]
  - [[-1, 9], 1, Concat, [1]]  # cat head P5
  - [-1, 3, C2f, [1024]]  # 21 (P5/32-large)

  - [[15, 18, 21], 1, Detect, [nc]]  # Detect(P3, P4, P5)

（1）第10层：经过SSPF的模块，接着进入上采样upsample。

None：不指定输出尺寸。

2：输出的尺寸为输入尺寸的2倍。

nearest：使用邻近插值算法。经过上采样后尺寸从1024*20*20  -> 1024*40*40。

经过路线如图所示：

 （2）第11层：Concat模块，与经过上采样的上一层和第六层（P4）concat。（代码在：ultralytics -> nn -> modules-> _init_.py）

[1]：在维度为1上拼接；

此时经过上采样的尺寸为1024*40*40 + 第6层输出尺寸为512*40*40  =  1536*40*40。

class Concat(nn.Module):
    """Concatenate a list of tensors along dimension."""

    def __init__(self, dimension=1):
        """Concatenates a list of tensors along a specified dimension."""
        super().__init__()
        self.d = dimension

    def forward(self, x):
        """Forward pass for the YOLOv8 mask Proto module."""
        return torch.cat(x, self.d)

进过的路线如下图所示：

 （3）第12层：3*C2f；通道数为512，不进行shortcut。此时尺寸从1536*40*40 -> 512*40*40

（4）第13层：upsample，第12层作为输入。与第10层原理一样。尺寸从512*40*40 -> 512*80*80

（5）第14层：Concat模块，与经过上采样的上一层（13层）和第四层（P3）连接。

此时经过上采样的尺寸为512*80*80 + 第4层输出尺寸为256*80*80  =  768*80*80。

经过路线如图所示：

（6）第15层： 3*C2f；通道数为256，不进行shortcut。此时尺寸从768*80*80 -> 256*80*80。

经过路线如图所示：

 （7）第16层：经过卷积Conv，通道256，k=3，s=2，计算公式上面介绍过。256*80*80 -> 256*40*40.

经过路线如图所示：

 （8）第17层：Concat模块，与经过卷积的16和第12层连接。

16层：256*40*40  +    第12层：512*40*40  =      768*40*40。

经过路线如图所示：

（9）第18层： 3*C2f；通道数为512，不进行shortcut。此时尺寸从768*40*40 -> 512*40*40。

经过路线如图所示：

 (10) 第19层：经过卷积Conv，通道512，k=3，s=2，计算公式上面介绍过。512*40*40 -> 512*20*20.

经过路线如图所示：

 （11）第20层：Concat模块，与经过卷积的19和第9层连接。

[[-1, 9], 1, Concat, [1]]

19层：512*20*20 +    第9层：1024*20*20  =      1536*20*20。

经过路线如图所示：

 （12）第21层： 3*C2f；通道数为1024，不进行shortcut。尺寸变化：1536*20*20 -> 1024*20*20

经过路线如图所示：

 至此，已经经过所有的head部分，下面进入detect。

三、Detect

1、第22层

代码如下：

[[15, 18, 21], 1, Detect, [nc]]  # Detect(P3, P4, P5)

class Detect(nn.Module):
    """YOLOv8 Detect head for detection models."""
    dynamic = False  # force grid reconstruction
    export = False  # export mode
    shape = None
    anchors = torch.empty(0)  # init
    strides = torch.empty(0)  # init

    def __init__(self, nc=80, ch=()):  # detection layer
        super().__init__()
        self.nc = nc  # number of classes
        self.nl = len(ch)  # number of detection layers
        self.reg_max = 16  # DFL channels (ch[0] // 16 to scale 4/8/12/16/20 for n/s/m/l/x)
        self.no = nc + self.reg_max * 4  # number of outputs per anchor
        self.stride = torch.zeros(self.nl)  # strides computed during build
        c2, c3 = max((16, ch[0] // 4, self.reg_max * 4)), max(ch[0], self.nc)  # channels
        self.cv2 = nn.ModuleList(
            nn.Sequential(Conv(x, c2, 3), Conv(c2, c2, 3), nn.Conv2d(c2, 4 * self.reg_max, 1)) for x in ch)
        self.cv3 = nn.ModuleList(nn.Sequential(Conv(x, c3, 3), Conv(c3, c3, 3), nn.Conv2d(c3, self.nc, 1)) for x in ch)
        self.dfl = DFL(self.reg_max) if self.reg_max > 1 else nn.Identity()

    def forward(self, x):
        """Concatenates and returns predicted bounding boxes and class probabilities."""
        shape = x[0].shape  # BCHW
        for i in range(self.nl):
            x[i] = torch.cat((self.cv2[i](x[i]), self.cv3[i](x[i])), 1)
        if self.training:
            return x
        elif self.dynamic or self.shape != shape:
            self.anchors, self.strides = (x.transpose(0, 1) for x in make_anchors(x, self.stride, 0.5))
            self.shape = shape

        x_cat = torch.cat([xi.view(shape[0], self.no, -1) for xi in x], 2)
        if self.export and self.format in ('saved_model', 'pb', 'tflite', 'edgetpu', 'tfjs'):  # avoid TF FlexSplitV ops
            box = x_cat[:, :self.reg_max * 4]
            cls = x_cat[:, self.reg_max * 4:]
        else:
            box, cls = x_cat.split((self.reg_max * 4, self.nc), 1)
        dbox = dist2bbox(self.dfl(box), self.anchors.unsqueeze(0), xywh=True, dim=1) * self.strides
        y = torch.cat((dbox, cls.sigmoid()), 1)
        return y if self.export else (y, x)

    def bias_init(self):
        """Initialize Detect() biases, WARNING: requires stride availability."""
        m = self  # self.model[-1]  # Detect() module
        # cf = torch.bincount(torch.tensor(np.concatenate(dataset.labels, 0)[:, 0]).long(), minlength=nc) + 1
        # ncf = math.log(0.6 / (m.nc - 0.999999)) if cf is None else torch.log(cf / cf.sum())  # nominal class frequency
        for a, b, s in zip(m.cv2, m.cv3, m.stride):  # from
            a[-1].bias.data[:] = 1.0  # box
            b[-1].bias.data[:m.nc] = math.log(5 / m.nc / (640 / s) ** 2)  # cls (.01 objects, 80 classes, 640 img)

接下来的讲解参考博主，大家也可以去看这位博主写的。yolov8的Detect层详解(输出维度改动)_银嘉诚的博客-CSDN博客对于部署端需要拿到onnx的output进行后处理，但是基于anchor_free的yolov8输出是1*(4+cls)*8400，不是我们常见的ncwh格式，所以对Detect层进行了学习，分享一下体会。https://blog.csdn.net/yjcccccc/article/details/130261153?ops_request_misc=&request_id=&biz_id=102&utm_term=yolov8%E7%9A%84detect%E6%A8%A1%E5%9D%97&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~all~sobaiduweb~default-0-130261153.nonecase&spm=1018.2226.3001.4187

先看初始化的参数：

nc: 类别数；
nl: 检测模型中所使用的检测层数；
reg_max: 每个锚点输出的通道数；
no: 每个锚点的输出数量，其中包括类别数和位置信息；
stride: 一个形状为(nl,）的张量，表示每个检测层的步长；
cv2: 一个 nn.ModuleList 对象，包含多个卷积层，用于预测每个锚点的位置信息；
cv3: 一个 nn.ModuleList 对象，包含多个卷积层，用于预测每个锚点的类别信息；
dfl: 一个 DFL（Differentiable Feature Localization）类对象，用于应用可微分几何变换，以更好地对目标框进行回归；（代码后面会介绍）
shape属性表示模型期望的输入形状，如果模型只接受固定形状的输入，则 self.shape 存储该形状
 

前向函数：

（1）shape=x的shape，即 batch，channel，h，w

 shape = x[0].shape  # BCHW

（2）

        for i in range(self.nl):
            x[i] = torch.cat((self.cv2[i](x[i]), self.cv3[i](x[i])), 1)

假设输入的图：3*640*640；
ch是元组，nl是这个元组的长度。

x[0]= cv2[0][x[0]] + cv3[0]x[0]                          (后面的1表示第一维度拼接)；

那么cv2[0]为 Conv(x, c2, 3)，cv3[0]为Conv(x, c3, 3)

描点的输出计算方式：self.no = nc + self.reg_max * 4，假设80类，self.no=80+4*16=144；

那么输出的三个特征图应该分别是1*144*80*80（640/8）、1*144*40*40（640/16）和1*144*20*20（640/32）；

后面请大家参考上面那位博主，他写的足够好了，大家可以给他点赞收藏。

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总结

以上就是今天要讲的内容，本文仅仅简单介绍了源码结构，后面还会持续更新讲解，由于这次写的太多了，怕大家看不过来。过段时间继续拆封代码并尝试用常见的pytorch原始框架复现缩减版yolov8。也许上面还有很多错误，欢迎大家指正！！！