【保姆级教程|YOLOv8改进】【3】使用FasterBlock替换C2f中的Bottleneck

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《------正文------》

前言

FasterNet是为了提升网络的推理速度而设计的一种新型的神经网络结构，它比其他网络在各种视觉任务上实现了更高的运行速度，同时对准确性没有降低。本文详细介绍了如何使用FasterNet中的FasterBlock替换YOLOv8的C2f中Bottleneck模块，并且使用修改后的yolov8进行目标检测训练与推理。本文提供了所有源码免费供小伙伴们学习参考，需要的可以通过文末方式自行下载。

本文改进使用的ultralytics版本为：ultralytics == 8.0.227

1.FasterNet简介

论文发表时间：2023.05.21

github地址：https://github.com/JierunChen/FasterNet.
paper地址：https://arxiv.org/abs/2303.03667

摘要：为了设计快速的神经网络，许多研究都专注于减少浮点运算量（FLOPs）。然而，我们观察到这种FLOPs的减少并不一定导致延迟的相似程度的减少。这主要是因为浮点操作每秒（FLOPS）效率低下。为了实现更快的网络，我们重新审视了流行的操作符，并证明了低FLOPS主要是由于操作符的频繁内存访问，特别是深度卷积。因此，我们提出了一种新颖的部分卷积（PConv），通过同时减少冗余的计算和内存访问来更高效地提取空间特征。在我们的PConv基础上，我们进一步提出了FasterNet，这是一系列新的神经网络，比其他网络在各种视觉任务上实现了更高的运行速度，同时对准确性没有妥协。例如，在ImageNet-1k上，我们小巧的FasterNet-T0在GPU、CPU和ARM处理器上分别比MobileViT-XXS快2.8倍、3.3倍和2.4倍，同时准确率更高2.9%。我们的大型FasterNet-L在GPU上实现了令人印象深刻的83.5%的Top-1准确率，与新兴的Swin-B不相上下，同时在GPU上推理吞吐量比Swin-B高出36%，在CPU上节省了37%的计算时间。

论文主要亮点如下：
• 我们指出在实现更快的神经网络时，实现更高的FLOPS比仅仅减少FLOPS更重要。
• 我们引入了一种简单而快速有效的操作符，称为PConv，它有很高的潜力可以取代现有的首选选择DWConv。
• 我们引入了FasterNet，在各种设备上都表现出非常快的运行速度，如GPU、CPU和ARM处理器。
• 我们对各种任务进行了广泛的实验证明了我们的PConv和FasterNet的高速和有效性。

1.1 FasterNet网络结构

1.2 性能对比

2.使用FasterBlock替换C2f中的Bottleneck

替换位置与替换后网络结构示意

C2f中替换的位置

替换后的YOLOv8网络结构如下：

定义C2f_Faster类

在ultralytics/nn/modules/block.py中添加如下代码块，并定义C2f_Faster类：

from timm.models.layers import DropPath


class Partial_conv3(nn.Module):
    def __init__(self, dim, n_div=4, forward='split_cat'):
        super().__init__()
        self.dim_conv3 = dim // n_div
        self.dim_untouched = dim - self.dim_conv3
        self.partial_conv3 = nn.Conv2d(self.dim_conv3, self.dim_conv3, 3, 1, 1, bias=False)

        if forward == 'slicing':
            self.forward = self.forward_slicing
        elif forward == 'split_cat':
            self.forward = self.forward_split_cat
        else:
            raise NotImplementedError

    def forward_slicing(self, x):
        # only for inference
        x = x.clone()  # !!! Keep the original input intact for the residual connection later
        x[:, :self.dim_conv3, :, :] = self.partial_conv3(x[:, :self.dim_conv3, :, :])
        return x

    def forward_split_cat(self, x):
        # for training/inference
        x1, x2 = torch.split(x, [self.dim_conv3, self.dim_untouched], dim=1)
        x1 = self.partial_conv3(x1)
        x = torch.cat((x1, x2), 1)
        return x


class Faster_Block(nn.Module):
    def __init__(self,
                 inc,
                 dim,
                 n_div=4,
                 mlp_ratio=2,
                 drop_path=0.1,
                 layer_scale_init_value=0.0,
                 pconv_fw_type='split_cat'
                 ):
        super().__init__()
        self.dim = dim
        self.mlp_ratio = mlp_ratio
        self.drop_path = DropPath(drop_path) if drop_path > 0. else nn.Identity()
        self.n_div = n_div

        mlp_hidden_dim = int(dim * mlp_ratio)

        mlp_layer = [
            Conv(dim, mlp_hidden_dim, 1),
            nn.Conv2d(mlp_hidden_dim, dim, 1, bias=False)
        ]

        self.mlp = nn.Sequential(*mlp_layer)

        self.spatial_mixing = Partial_conv3(
            dim,
            n_div,
            pconv_fw_type
        )

        self.adjust_channel = None
        if inc != dim:
            self.adjust_channel = Conv(inc, dim, 1)

        if layer_scale_init_value > 0:
            self.layer_scale = nn.Parameter(layer_scale_init_value * torch.ones((dim)), requires_grad=True)
            self.forward = self.forward_layer_scale
        else:
            self.forward = self.forward

    def forward(self, x):
        if self.adjust_channel is not None:
            x = self.adjust_channel(x)
        shortcut = x
        x = self.spatial_mixing(x)
        x = shortcut + self.drop_path(self.mlp(x))
        return x

    def forward_layer_scale(self, x):
        shortcut = x
        x = self.spatial_mixing(x)
        x = shortcut + self.drop_path(
            self.layer_scale.unsqueeze(-1).unsqueeze(-1) * self.mlp(x))
        return x


class C2f_Faster(C2f):
    def __init__(self, c1, c2, n=1, shortcut=False, g=1, e=0.5):
        super().__init__(c1, c2, n, shortcut, g, e)
        self.m = nn.ModuleList(Faster_Block(self.c, self.c) for _ in range(n))

在不同文件导入新建的C2f类

在ultralytics/nn/modules/block.py顶部，all中添加刚才创建的类的名称：C2f_Faster,如下图所示：

同样需要在ultralytics/nn/modules/__init__.py文件，相应位置导入刚出创建的C2f_Faster类。如下图：

还需要在ultralytics/nn/tasks.py中导入创建的C2f_Faster类，如下图：

在parse_model解析函数中添加C2f_Faster类

在ultralytics/nn/tasks.py的parse_model解析网络结构的函数中，加入C2f_Faster类，如下图：

创建新的配置文件c2f_Faster_yolov8.yaml

在ultralytics/cfg/models/v8目录下新建c2f_Faster_yolov8.yaml配置文件，内容如下:

# Ultralytics YOLO , AGPL-3.0 license
# YOLOv8 object detection model with P3-P5 outputs. For Usage examples see https://docs.ultralytics.com/tasks/detect

# Parameters
nc: 80  # number of classes
scales: # model compound scaling constants, i.e. 'model=yolov8n.yaml' will call yolov8.yaml with scale 'n'
  # [depth, width, max_channels]
  n: [0.33, 0.25, 1024]  # YOLOv8n summary: 225 layers,  3157200 parameters,  3157184 gradients,   8.9 GFLOPs
  s: [0.33, 0.50, 1024]  # YOLOv8s summary: 225 layers, 11166560 parameters, 11166544 gradients,  28.8 GFLOPs
  m: [0.67, 0.75, 768]   # YOLOv8m summary: 295 layers, 25902640 parameters, 25902624 gradients,  79.3 GFLOPs
  l: [1.00, 1.00, 512]   # YOLOv8l summary: 365 layers, 43691520 parameters, 43691504 gradients, 165.7 GFLOPs
  x: [1.00, 1.25, 512]   # YOLOv8x summary: 365 layers, 68229648 parameters, 68229632 gradients, 258.5 GFLOPs

# 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_Faster, [128, True]]
  - [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]]  # 3-P3/8
  - [-1, 6, C2f_Faster, [256, True]]
  - [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]]  # 5-P4/16
  - [-1, 6, C2f_Faster, [512, True]]
  - [-1, 1, Conv, [1024, 3, 2]]  # 7-P5/32
  - [-1, 3, C2f_Faster, [1024, True]]
  - [-1, 1, SPPF, [1024, 5]]  # 9

# YOLOv8.0n head
head:
  - [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']]
  - [[-1, 6], 1, Concat, [1]]  # cat backbone P4
  - [-1, 3, C2f_Faster, [512]]  # 12

  - [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']]
  - [[-1, 4], 1, Concat, [1]]  # cat backbone P3
  - [-1, 3, C2f_Faster, [256]]  # 15 (P3/8-small)

  - [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]]
  - [[-1, 12], 1, Concat, [1]]  # cat head P4
  - [-1, 3, C2f_Faster, [512]]  # 18 (P4/16-medium)

  - [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]]
  - [[-1, 9], 1, Concat, [1]]  # cat head P5
  - [-1, 3, C2f_Faster, [1024]]  # 21 (P5/32-large)

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

新的c2f_Faster_yolov8.yaml配置文件与原yolov8.yaml文件的对比如下：

加载配置文件并训练

加载c2f_Faster_yolov8.yaml配置文件，并运行train.py训练代码:

#coding:utf-8

from ultralytics import YOLO

if __name__ == '__main__':
    model = YOLO('ultralytics/cfg/models/v8/c2f_Faster_yolov8.yaml')
    model.load('yolov8n.pt') # loading pretrain weights
    model.train(data='datasets/TomatoData/data.yaml', epochs=250, batch=4)

注意观察，打印出的网络结构是否正常修改，如下图所示：

模型推理

模型训练完成后，我们使用训练好的模型对图片进行检测：

#coding:utf-8
from ultralytics import YOLO
import cv2

# 所需加载的模型目录
# path = 'models/best2.pt'
path = 'runs/detect/train2/weights/best.pt'
# 需要检测的图片地址
img_path = "TestFiles/Riped tomato_31.jpeg"

# 加载预训练模型
# conf	0.25	object confidence threshold for detection
# iou	0.7	intersection over union (IoU) threshold for NMS
model = YOLO(path, task='detect')


# 检测图片
results = model(img_path)
res = results[0].plot()
# res = cv2.resize(res,dsize=None,fx=2,fy=2,interpolation=cv2.INTER_LINEAR)
cv2.imshow("YOLOv8 Detection", res)
cv2.waitKey(0)

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结束语

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