代码链接：https://github.com/open-mmlab/mmyolo/tree/main

相关文档：

1、自定义数据集 标注+训练+测试+部署 全流程

2、10分钟带你换遍主干网络

3、10 分钟轻松掌握大图推理

4、特征图可视化

5、配置文件解读

一、MMYOLO 简介

MMYOLO 是一个 YOLO 系列算法的开源库，该库支持一次环境配置调试多种模型，和 MMLab 系列的其他库类似，是一个很好用的学习和训练 YOLO 算法的库。

MMYOLO 统一了各个 YOLO 算法模块的实现，并提供了统一的测评流程，将 YOLO 算法解耦成不同的模块组件，通过组合不同的模块和训练策略可以便捷地构造自定义模型。

MMYOLO 截止 2023.01.18 所支持的算法：

• YOLOv5
• YOLOv6
• YOLOv7
• PPYOLOE
• RTMDet
• YOLOv8（dev 分支）

本文诸多内容摘自上面几个官方文档，更详尽的内容还需自行查阅官方文档。

1.1 MMYOLO 的安装和简单训练

conda create -n open-mmlab python=3.8 pytorch==1.10.1 torchvision==0.11.2 cudatoolkit=11.3 -c pytorch -y
conda activate open-mmlab
pip install openmim
mim install "mmengine>=0.3.1"
mim install "mmcv>=2.0.0rc1,<2.1.0"
mim install "mmdet>=3.0.0rc5,<3.1.0"
git clone https://github.com/open-mmlab/mmyolo.git
cd mmyolo
# Install albumentations
pip install -r requirements/albu.txt
# Install MMYOLO
mim install -v -e .

代码结构如下：

MMYOLO 数据的下载：

• COCO：python tools/misc/download_dataset.py
• Cat（自带小数据集，方便实验）：python tools/misc/download_dataset.py --dataset-name cat --unzip --delete --save-dir ./data/cat

训练：

python tools/train.py configs/custom_dataset/yolov5_s-v61_syncbn_fast_1xb32-100e_cat.py

测试：

python tools/test.py configs/custom_dataset/yolov5_s-v61_syncbn_fast_1xb32-100e_cat.py ./work_dirs/yolov6_s_syncbn_fast_1xb32-100e_cat/best_coco/bbox_mAP_epoch_96.pth

可视化：

python demo/image_demo.py ./data/cat/images \
                          ./configs/custom_dataset/yolov6_s_syncbn_fast_1xb32-100e_cat.py \
                          ./work_dirs/yolov6_s_syncbn_fast_1xb32-100e_cat/best_coco/bbox_mAP_epoch_96.pth \
                          --out-dir ./data/cat/pred_images

部署：

• MMDeploy 框架进行部署

• 使用 projects/easydeploy 进行部署

1.2 详细配置参数

训练外部参数：

img_scale = (640, 640)            # 高度，宽度
deepen_factor = 0.33              # 控制网络结构深度的缩放因子，YOLOv5-s 为 0.33
widen_factor = 0.5                # 控制网络结构宽度的缩放因子，YOLOv5-s 为 0.5
max_epochs = 300                  # 最大训练轮次 300 轮
save_epoch_intervals = 10         # 验证间隔，每 10 个 epoch 验证一次
train_batch_size_per_gpu = 16     # 训练时单个 GPU 的 Batch size
train_num_workers = 8             # 训练时单个 GPU 分配的数据加载线程数
val_batch_size_per_gpu = 1        # 验证时单个 GPU 的 Batch size
val_num_workers = 2               # 验证时单个 GPU 分配的数据加载线程数

模型结构参数：

• model：配置检测算法组件
  • backbone
  • neck
  • data_preprocessor
  • train_cfg：训练超参数
  • test_cfg：测试超参数

anchors = [[(10, 13), (16, 30), (33, 23)], # 多尺度的先验框基本尺寸 
           [(30, 61), (62, 45), (59, 119)],
           [(116, 90), (156, 198), (373, 326)]]
strides = [8, 16, 32] # 先验框生成器的步幅

model = dict(
    type='YOLODetector', #检测器名
    data_preprocessor=dict(  # 数据预处理器的配置，通常包括图像归一化和 padding
        type='mmdet.DetDataPreprocessor',  # 数据预处理器的类型，还可以选择 'YOLOv5DetDataPreprocessor' 训练速度更快
        mean=[0., 0., 0.],  # 用于预训练骨干网络的图像归一化通道均值，按 R、G、B 排序
        std=[255., 255., 255.], # 用于预训练骨干网络的图像归一化通道标准差，按 R、G、B 排序
        bgr_to_rgb=True),  # 是否将图像通道从 BGR 转为 RGB
    backbone=dict(  # 主干网络的配置文件
        type='YOLOv5CSPDarknet',  # 主干网络的类别，目前可选用 'YOLOv5CSPDarknet', 'YOLOv6EfficientRep', 'YOLOXCSPDarknet' 3种
        deepen_factor=deepen_factor, # 控制网络结构深度的缩放因子
        widen_factor=widen_factor, # 控制网络结构宽度的缩放因子
        norm_cfg=dict(type='BN', momentum=0.03, eps=0.001), # 归一化层(norm layer)的配置项
        act_cfg=dict(type='SiLU', inplace=True)), # 激活函数(activation function)的配置项
    neck=dict(
        type='YOLOv5PAFPN',  # 检测器的 neck 是 YOLOv5FPN，我们同样支持 'YOLOv6RepPAFPN', 'YOLOXPAFPN'
        deepen_factor=deepen_factor, # 控制网络结构深度的缩放因子
        widen_factor=widen_factor, # 控制网络结构宽度的缩放因子
        in_channels=[256, 512, 1024], # 输入通道数，与 Backbone 的输出通道一致
        out_channels=[256, 512, 1024], # 输出通道数，与 Head 的输入通道一致
        num_csp_blocks=3, # CSPLayer 中 bottlenecks 的数量
        norm_cfg=dict(type='BN', momentum=0.03, eps=0.001), # 归一化层(norm layer)的配置项
        act_cfg=dict(type='SiLU', inplace=True)), # 激活函数(activation function)的配置项
    bbox_head=dict(
        type='YOLOv5Head', # bbox_head 的类型是 'YOLOv5Head', 我们目前也支持 'YOLOv6Head', 'YOLOXHead'
        head_module=dict(
            type='YOLOv5HeadModule', # head_module 的类型是 'YOLOv5HeadModule', 我们目前也支持 'YOLOv6HeadModule', 'YOLOXHeadModule'
            num_classes=80, # 分类的类别数量
            in_channels=[256, 512, 1024], # 输入通道数，与 Neck 的输出通道一致
            widen_factor=widen_factor, # 控制网络结构宽度的缩放因子
            featmap_strides=[8, 16, 32], # 多尺度特征图的步幅
            num_base_priors=3), # 在一个点上，先验框的数量
        prior_generator=dict( # 先验框(prior)生成器的配置
            type='mmdet.YOLOAnchorGenerator', # 先验框生成器的类型是 mmdet 中的 'YOLOAnchorGenerator'
            base_sizes=anchors, # 多尺度的先验框基本尺寸
            strides=strides), # 先验框生成器的步幅, 与 FPN 特征步幅一致。如果未设置 base_sizes，则当前步幅值将被视为 base_sizes。
    ),
    test_cfg=dict(
        multi_label=True, # 对于多类别预测来说是否考虑多标签，默认设置为 True
        nms_pre=30000,  # NMS 前保留的最大检测框数目
        score_thr=0.001, # 过滤类别的分值，低于 score_thr 的检测框当做背景处理
        nms=dict(type='nms', # NMS 的类型
                 iou_threshold=0.65), # NMS 的阈值
        max_per_img=300)) # 每张图像 NMS 后保留的最大检测框数目

YOLOv5 的训练和测试数据流存在差异

1）YOLOv5 的训练数据流

dataset_type = 'CocoDataset'  # 数据集类型，这将被用来定义数据集 
data_root = 'data/coco/'  # 数据的根路径
file_client_args = dict(backend='disk')  # 文件读取后端的配置，默认从硬盘读取

pre_transform = [ # 训练数据读取流程
    dict(
        type='LoadImageFromFile', # 第 1 个流程，从文件路径里加载图像
        file_client_args=file_client_args),  # 文件读取后端的配置，默认从硬盘读取
    dict(type='LoadAnnotations', # 第 2 个流程，对于当前图像，加载它的注释信息
         with_bbox=True) # 是否使用标注框(bounding box)，目标检测需要设置为 True
]

albu_train_transforms = [                # YOLOv5-v6.1 仓库中，引入了 Albumentation 代码库进行图像的数据增广, 请确保其版本为 1.0.+
    dict(type='Blur', p=0.01),       # 图像模糊，模糊概率 0.01
    dict(type='MedianBlur', p=0.01), # 均值模糊，模糊概率 0.01
    dict(type='ToGray', p=0.01),         # 随机转换为灰度图像，转灰度概率 0.01
    dict(type='CLAHE', p=0.01)                 # CLAHE(限制对比度自适应直方图均衡化) 图像增强方法，直方图均衡化概率 0.01
]
train_pipeline = [                                # 训练数据处理流程
    *pre_transform,                                # 引入前述定义的训练数据读取流程
    dict(
        type='Mosaic',          # Mosaic 数据增强方法
        img_scale=img_scale,    # Mosaic 数据增强后的图像尺寸
        pad_val=114.0,          # 空区域填充像素值
        pre_transform=pre_transform), # 之前创建的 pre_transform 训练数据读取流程
    dict(
        type='YOLOv5RandomAffine',            # YOLOv5 的随机仿射变换
        max_rotate_degree=0.0,          # 最大旋转角度
        max_shear_degree=0.0,           # 最大错切角度
        scaling_ratio_range=(0.5, 1.5), # 图像缩放系数的范围
        border=(-img_scale[0] // 2, -img_scale[1] // 2), # 从输入图像的高度和宽度两侧调整输出形状的距离
        border_val=(114, 114, 114)), # 边界区域填充像素值
    dict(
        type='mmdet.Albu',                        # mmdet 中的 Albumentation 数据增强
        transforms=albu_train_transforms, # 之前创建的 albu_train_transforms 数据增强流程
        bbox_params=dict(
            type='BboxParams',
            format='pascal_voc',
            label_fields=['gt_bboxes_labels', 'gt_ignore_flags']),
        keymap={
            'img': 'image',
            'gt_bboxes': 'bboxes'
        }),
    dict(type='YOLOv5HSVRandomAug'),            # HSV通道随机增强
    dict(type='mmdet.RandomFlip', prob=0.5),        # 随机翻转，翻转概率 0.5
    dict(
        type='mmdet.PackDetInputs',                                # 将数据转换为检测器输入格式的流程
        meta_keys=('img_id', 'img_path', 'ori_shape', 'img_shape', 'flip',
                   'flip_direction'))
]
train_dataloader = dict( # 训练 dataloader 配置
    batch_size=train_batch_size_per_gpu, # 训练时单个 GPU 的 Batch size
    num_workers=train_num_workers, # 训练时单个 GPU 分配的数据加载线程数
    persistent_workers=True, # 如果设置为 True，dataloader 在迭代完一轮之后不会关闭数据读取的子进程，可以加速训练
    pin_memory=True, # 开启锁页内存，节省 CPU 内存拷贝时间
    sampler=dict( # 训练数据的采样器
        type='DefaultSampler', # 默认的采样器，同时支持分布式和非分布式训练。请参考 https://github.com/open-mmlab/mmengine/blob/main/mmengine/dataset/sampler.py
        shuffle=True), # 随机打乱每个轮次训练数据的顺序
    dataset=dict( # 训练数据集的配置
        type=dataset_type,
        data_root=data_root,
        ann_file='annotations/instances_train2017.json', # 标注文件路径
        data_prefix=dict(img='train2017/'), # 图像路径前缀
        filter_cfg=dict(filter_empty_gt=False, min_size=32), # 图像和标注的过滤配置
        pipeline=train_pipeline)) # 这是由之前创建的 train_pipeline 定义的数据处理流程

2）YOLOv5 的测试数据流

测试阶段采用 Letter Resize 的方法来将所有的测试图像统一到相同尺度，进而有效保留了图像的长宽比。因此我们在验证和评测时，都采用相同的数据流进行推理。

test_pipeline = [ # 测试数据处理流程
    dict(
        type='LoadImageFromFile', # 第 1 个流程，从文件路径里加载图像
        file_client_args=file_client_args),  # 文件读取后端的配置，默认从硬盘读取
    dict(type='YOLOv5KeepRatioResize', # 第 2 个流程，保持长宽比的图像大小缩放
         scale=img_scale), # 图像缩放的目标尺寸
    dict(
        type='LetterResize', # 第 3 个流程，满足多种步幅要求的图像大小缩放
        scale=img_scale, # 图像缩放的目标尺寸
        allow_scale_up=False, # 当 ratio > 1 时，是否允许放大图像，
        pad_val=dict(img=114)), # 空区域填充像素值
    dict(type='LoadAnnotations', with_bbox=True), # 第 4 个流程，对于当前图像，加载它的注释信息
    dict(
        type='mmdet.PackDetInputs', # 将数据转换为检测器输入格式的流程
        meta_keys=('img_id', 'img_path', 'ori_shape', 'img_shape',
                   'scale_factor', 'pad_param'))
]

val_dataloader = dict(
    batch_size=val_batch_size_per_gpu, # 验证时单个 GPU 的 Batch size
    num_workers=val_num_workers, # 验证时单个 GPU 分配的数据加载线程数
    persistent_workers=True, # 如果设置为 True，dataloader 在迭代完一轮之后不会关闭数据读取的子进程，可以加速训练
    pin_memory=True, # 开启锁页内存，节省 CPU 内存拷贝时间
    drop_last=False, # 是否丢弃最后未能组成一个批次的数据
    sampler=dict(
        type='DefaultSampler', # 默认的采样器，同时支持分布式和非分布式训练
        shuffle=False), # 验证和测试时不打乱数据顺序
    dataset=dict(
        type=dataset_type,
        data_root=data_root,
        test_mode=True, # 开启测试模式，避免数据集过滤图像和标注
        data_prefix=dict(img='val2017/'), # 图像路径前缀
        ann_file='annotations/instances_val2017.json', # 标注文件路径
        pipeline=test_pipeline, # 这是由之前创建的 test_pipeline 定义的数据处理流程
        batch_shapes_cfg=dict(  # batch shapes 配置
            type='BatchShapePolicy', # 确保在 batch 推理过程中同一个 batch 内的图像 pad 像素最少，不要求整个验证过程中所有 batch 的图像尺度一样
            batch_size=val_batch_size_per_gpu, # batch shapes 策略的 batch size，等于验证时单个 GPU 的 Batch size
            img_size=img_scale[0], # 图像的尺寸
            size_divisor=32, # padding 后的图像的大小应该可以被 pad_size_divisor 整除
            extra_pad_ratio=0.5))) # 额外需要 pad 的像素比例

test_dataloader = val_dataloader

3）测评

OpenMMLab 2.0 版本中评估器和 dataset 解耦，因此新版设计很容易实现 VOC dataset 使用coco metric 等类似需求。

val_evaluator = dict(  # 验证过程使用的评测器
    type='mmdet.CocoMetric',  # 用于评估检测的 AR、AP 和 mAP 的 coco 评价指标
    proposal_nums=(100, 1, 10),        # 用于评估检测任务时，选取的Proposal数量
    ann_file=data_root + 'annotations/instances_val2017.json',  # 标注文件路径
    metric='bbox',  # 需要计算的评价指标，`bbox` 用于检测
)
test_evaluator = val_evaluator  # 测试过程使用的评测器

由于测试数据集没有标注文件，因此 MMYOLO 中的 test_dataloader 和 test_evaluator 配置通常等于 val。 如果要保存在测试数据集上的检测结果，则可以像这样编写配置：

# 在测试集上推理，
# 并将检测结果转换格式以用于提交结果
test_dataloader = dict(
    batch_size=1,
    num_workers=2,
    persistent_workers=True,
    drop_last=False,
    sampler=dict(type='DefaultSampler', shuffle=False),
    dataset=dict(
        type=dataset_type,
        data_root=data_root,
        ann_file=data_root + 'annotations/image_info_test-dev2017.json',
        data_prefix=dict(img='test2017/'),
        test_mode=True,
        pipeline=test_pipeline))
test_evaluator = dict(
    type='mmdet.CocoMetric',
    ann_file=data_root + 'annotations/image_info_test-dev2017.json',
    metric='bbox',
    format_only=True,  # 只将模型输出转换为coco的 JSON 格式并保存
    outfile_prefix='./work_dirs/coco_detection/test')  # 要保存的 JSON 文件的前缀

训练和测试的配置：

MMEngine 的 Runner 使用 Loop 控制训练、验证和测试

可以使用这些字段设置最大训练轮次和验证间隔

max_epochs = 300 # 最大训练轮次 300 轮
save_epoch_intervals = 10 # 验证间隔，每 10 轮验证一次

train_cfg = dict(
    type='EpochBasedTrainLoop',  # 训练循环的类型，请参考 https://github.com/open-mmlab/mmengine/blob/main/mmengine/runner/loops.py
    max_epochs=max_epochs,  # 最大训练轮次 300 轮
    val_interval=save_epoch_intervals)  # 验证间隔，每 10 个 epoch 验证一次
val_cfg = dict(type='ValLoop')  # 验证循环的类型
test_cfg = dict(type='TestLoop')  # 测试循环的类型

MMEngine 同时也支持动态评估间隔，可以在前面 280 epoch 训练阶段中，每间隔 10 个 epoch 验证一次，到最后 20 epoch 训练中每隔 1 个 epoch 验证一次，则配置写法为：

max_epochs = 300 # 最大训练轮次 300 轮
save_epoch_intervals = 10 # 验证间隔，每 10 轮验证一次

train_cfg = dict(
    type='EpochBasedTrainLoop',  # 训练循环的类型，请参考 https://github.com/open-mmlab/mmengine/blob/main/mmengine/runner/loops.py
    max_epochs=max_epochs,  # 最大训练轮次 300 轮
    val_interval=save_epoch_intervals,  # 验证间隔，每 10 个 epoch 验证一次
    dynamic_intervals=[(280, 1)]) # 到 280 epoch 开始切换为间隔 1 的评估方式
val_cfg = dict(type='ValLoop')  # 验证循环的类型
test_cfg = dict(type='TestLoop')  # 测试循环的类型

1.3 构建 Cat 数据集的 Config 文件

_base_ = '../yolov5/yolov5_s-v61_syncbn_fast_8xb16-300e_coco.py'

max_epochs = 100  # 训练的最大 epoch
data_root = './data/cat/'  # 数据集目录的绝对路径
# data_root = '/root/workspace/mmyolo/data/cat/'  # Docker 容器里面数据集目录的绝对路径

# 结果保存的路径，可以省略，省略保存的文件名位于 work_dirs 下 config 同名的文件夹中
# 如果某个 config 只是修改了部分参数，修改这个变量就可以将新的训练文件保存到其他地方
work_dir = './work_dirs/yolov5_s-v61_syncbn_fast_1xb32-100e_cat'

# load_from 可以指定本地路径或者 URL，设置了 URL 会自动进行下载，因为上面已经下载过，我们这里设置本地路径
# 因为本教程是在 cat 数据集上微调，故这里需要使用 `load_from` 来加载 MMYOLO 中的预训练模型，这样可以在加快收敛速度的同时保证精度
load_from = './work_dirs/yolov5_s-v61_syncbn_fast_8xb16-300e_coco_20220918_084700-86e02187.pth'  # noqa

# 根据自己的 GPU 情况，修改 batch size，YOLOv5-s 默认为 8卡 x 16bs
train_batch_size_per_gpu = 32
train_num_workers = 4  # 推荐使用 train_num_workers = nGPU x 4

save_epoch_intervals = 2  # 每 interval 轮迭代进行一次保存一次权重

# 根据自己的 GPU 情况，修改 base_lr，修改的比例是 base_lr_default * (your_bs / default_bs)
base_lr = _base_.base_lr / 4

anchors = [  # 此处已经根据数据集特点更新了 anchor，关于 anchor 的生成，后面小节会讲解
    [(68, 69), (154, 91), (143, 162)],  # P3/8
    [(242, 160), (189, 287), (391, 207)],  # P4/16
    [(353, 337), (539, 341), (443, 432)]  # P5/32
]

class_name = ('cat', )  # 根据 class_with_id.txt 类别信息，设置 class_name
num_classes = len(class_name)
metainfo = dict(
    CLASSES=class_name, # 注意：这个字段在最新版本中换成了小写
    PALETTE=[(220, 20, 60)]  # 画图时候的颜色，随便设置即可
)

train_cfg = dict(
    max_epochs=max_epochs,
    val_begin=20,  # 第几个 epoch 后验证，这里设置 20 是因为前 20 个 epoch 精度不高，测试意义不大，故跳过
    val_interval=save_epoch_intervals  # 每 val_interval 轮迭代进行一次测试评估
)

model = dict(
    bbox_head=dict(
        head_module=dict(num_classes=num_classes),
        prior_generator=dict(base_sizes=anchors),

        # loss_cls 会根据 num_classes 动态调整，但是 num_classes = 1 的时候，loss_cls 恒为 0
        loss_cls=dict(loss_weight=0.5 *
                      (num_classes / 80 * 3 / _base_.num_det_layers))))

train_dataloader = dict(
    batch_size=train_batch_size_per_gpu,
    num_workers=train_num_workers,
    dataset=dict(
        _delete_=True,
        type='RepeatDataset',
        # 数据量太少的话，可以使用 RepeatDataset ，在每个 epoch 内重复当前数据集 n 次，这里设置 5 是重复 5 次
        times=5,
        dataset=dict(
            type=_base_.dataset_type,
            data_root=data_root,
            metainfo=metainfo,
            ann_file='annotations/trainval.json',
            data_prefix=dict(img='images/'),
            filter_cfg=dict(filter_empty_gt=False, min_size=32),
            pipeline=_base_.train_pipeline)))

val_dataloader = dict(
    dataset=dict(
        metainfo=metainfo,
        data_root=data_root,
        ann_file='annotations/trainval.json',
        data_prefix=dict(img='images/')))

test_dataloader = val_dataloader

val_evaluator = dict(ann_file=data_root + 'annotations/trainval.json')
test_evaluator = val_evaluator

optim_wrapper = dict(optimizer=dict(lr=base_lr))

default_hooks = dict(
    # 设置间隔多少个 epoch 保存模型，以及保存模型最多几个，`save_best` 是另外保存最佳模型（推荐）
    checkpoint=dict(
        type='CheckpointHook',
        interval=save_epoch_intervals,
        max_keep_ckpts=5,
        save_best='auto'),
    param_scheduler=dict(max_epochs=max_epochs),
    # logger 输出的间隔
    logger=dict(type='LoggerHook', interval=10))

1.3.1 数据集分布可视化

可以使用 MMYOLO 自带的数据集可视化分析功能来分析不同数据集的特点，可以验证配置文件的正确性，也可以对数据集进行初步分析。

# 查看训练集的分布：
python tools/analysis_tools/dataset_analysis.py configs/custom_dataset/yolov5_s-v61_syncbn_fast_1xb32-100e_cat.py \
                                                --out-dir work_dirs/dataset_analysis_cat/train_dataset

# 查看验证集的分布：
python tools/analysis_tools/dataset_analysis.py configs/custom_dataset/yolov5_s-v61_syncbn_fast_1xb32-100e_cat.py \
                                                --out-dir work_dirs/dataset_analysis_cat/val_dataset \
                                                --val-dataset

训练集信息：

这里显示的类别为 person，其实应该是 cat，不要纠结于这个类别，我在这里也只是尝试跑了一下而已，具体的内容是没有调试的。

Print current running information:
+--------------------------------------------------------------------+
|                        Dataset information                         |
+---------------+-------------+--------------+-----------------------+
|  Dataset type |  Class name |   Function   |       Area rule       |
+---------------+-------------+--------------+-----------------------+
| train_dataset | All classes | All function | [0, 32, 96, 100000.0] |
+---------------+-------------+--------------+-----------------------+

Read the information of each picture in the dataset:
[>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>] 580/580, 6437.8 task/s, elapsed: 0s, ETA:     0s

The information obtained is as follows:
+-------------------------------------------------------------------------------------------------               -------+
|                                      Information of dataset class                                                     |
+---------------+----------+----------------+----------+--------------+----------+------------+---               -------+
| Class name    | Bbox num | Class name     | Bbox num | Class name   | Bbox num | Class name | Bb               ox num |
+---------------+----------+----------------+----------+--------------+----------+------------+---               -------+
| person        | 645      | umbrella       | 0        | broccoli     | 0        | vase       | 0                       |
| bicycle       | 0        | handbag        | 0        | carrot       | 0        | scissors   | 0                       |
| car           | 0        | tie            | 0        | hot dog      | 0        | teddy bear | 0                       |
| motorcycle    | 0        | suitcase       | 0        | pizza        | 0        | hair drier | 0                       |
| airplane      | 0        | frisbee        | 0        | donut        | 0        | toothbrush | 0                       |
| bus           | 0        | skis           | 0        | cake         | 0        |            |                         |
| train         | 0        | snowboard      | 0        | chair        | 0        |            |                         |
| truck         | 0        | sports ball    | 0        | couch        | 0        |            |                         |
| boat          | 0        | kite           | 0        | potted plant | 0        |            |                         |
| traffic light | 0        | baseball bat   | 0        | bed          | 0        |            |                         |
| fire hydrant  | 0        | baseball glove | 0        | dining table | 0        |            |                         |
| stop sign     | 0        | skateboard     | 0        | toilet       | 0        |            |                         |
| parking meter | 0        | surfboard      | 0        | tv           | 0        |            |                         |
| bench         | 0        | tennis racket  | 0        | laptop       | 0        |            |                         |
| bird          | 0        | bottle         | 0        | mouse        | 0        |            |                         |
| cat           | 0        | wine glass     | 0        | remote       | 0        |            |                         |
| dog           | 0        | cup            | 0        | keyboard     | 0        |            |                         |
| horse         | 0        | fork           | 0        | cell phone   | 0        |            |                         |
| sheep         | 0        | knife          | 0        | microwave    | 0        |            |                         |
| cow           | 0        | spoon          | 0        | oven         | 0        |            |                         |
| elephant      | 0        | bowl           | 0        | toaster      | 0        |            |                         |
| bear          | 0        | banana         | 0        | sink         | 0        |            |                         |
| zebra         | 0        | apple          | 0        | refrigerator | 0        |            |                         |
| giraffe       | 0        | sandwich       | 0        | book         | 0        |            |                         |
| backpack      | 0        | orange         | 0        | clock        | 0        |            |                         |
+---------------+----------+----------------+----------+--------------+----------+------------+---               -------+

YOLOv5CocoDataset_bbox_num.jpg

YOLOv5CocoDataset_bbox_ratio.jpg

YOLOv5CocoDataset_bbox_wh.jpg

1.3.2 Anchor-based 方法中 anchor 尺寸的优化

MMYOLO 还支持优化 anchor-based 方法中的 anchor 尺寸，anchor-free 的方法可以跳过该步骤。

脚本为 tools/analysis_tools/optimize_anchors.py，支持下面三种 anchor 生成方式：

• k-means
• Differential Evolution
• v5-k-means

# 使用 yolov5-k-means 来进行优化的方式如下
python tools/analysis_tools/optimize_anchors.py configs/custom_dataset/yolov5_s-v61_syncbn_fast_1xb32-100e_cat.py \
                                                --algorithm v5-k-means \
                                                --input-shape 640 640 \
                                                --prior-match-thr 4.0 \
                                                --out-dir work_dirs/dataset_analysis_cat

可以根据得到的 anchor 尺寸来修改 config 中对应的 anchor 尺寸

值得注意的是 k-means 是聚类方法，存在一定随机性，与初始化有关，所以每次执行后得到的 anchor 都会有些不同，但都是基于数据集来生成的，所以不会有很大的影响。

简单介绍一下上面三种不同的 anchor 生成方式：

1）k-means

2）Differential Evolution

3）v5-k-means

1.3.3 可视化数据处理

脚本 tools/analysis_tools/browse_dataset.py 能够帮助用户直接可视化 config 配置中数据处理部分，同时可以选择保存可视化图片到指定文件夹内。

使用训练好的模型和对应的 config 文件来可视化图片，弹出显示，每张 3s，不保存：

python tools/analysis_tools/browse_dataset.py configs/custom_dataset/yolov5_s-v61_syncbn_fast_1xb32-100e_cat.py \
                                              --show-interval 3

详细文档

二、MMYOLO 的框架结构

上图出处

MMYOLO 最核心的东西就在 mmyolo 库中

MMYOLO 将 YOLO 方法分成了以下几个模块：

• datasets：支持目标检测各种数据集
  • transforms：包含各种数据增强变换
• models：包含组成模型的各个组件
  • data_preprocessors：预处理模型的输入数据
  • detectors：定义所欲检测模型类
  • Backbone：base_backbone / cps_darknet / csp_resnet / cspnext / efficient_rep / yolov7_backbone
  • Neck：base_yolo_neck / cspnext_pafpn / yolov5_fpn / yolov6_fpn / yolov7_fpn / yolox_fpn
  • Head：yolov5_head / yolov6_head / yolov7_head / yolox_head / ppyoloe_head / rtmdet_head
  • Loss：各种损失函数
  • task_modules：assigners、samplers、box coders、prior generators
  • layers：神经网络基本层
• engine：运行时组件的一部分
  • optimizer：优化器
  • hooks：runner 钩子

2.1 以 YOLOv5 为例来说明 MMYOLO 的框架结构

MMYOLO 的组织方式仍为：Backbone、Neck、Head

此处所说 YOLOv5 为 v6.0 版本，没有 Focus 了，替换成 conv 了，使用 SPPF 代替了 SPP

YOLOv5 模型一共有 4 个版本，分别为：

• YOLOv5s：深度、宽度最小（后面的逐渐加大）
• YOLOv5m
• YOLOv5l
• YOLOv5x

YOLOv5 的框架结构如下：

• Bckbone：CSPDarkNet
• Neck：PA-FPN
• Head：三种尺度，每个尺度的每个特征点上放置 3 种 anchor

YOLOv5 模型框架如下：

YOLOv5 模块细节如下：

2.1.1 Backbone

CSPDarkNet

YOLOv5-s 的 config 的 model 内容如下：

deepen_factor = 0.33
widen_factor = 0.5

model = dict(
    type='YOLODetector',
    data_preprocessor=dict(
        type='mmdet.DetDataPreprocessor',
        mean=[0., 0., 0.],
        std=[255., 255., 255.],
        bgr_to_rgb=True),
    backbone=dict(
        type='YOLOv5CSPDarknet',
        deepen_factor=deepen_factor,
        widen_factor=widen_factor,
        norm_cfg=dict(type='BN', momentum=0.03, eps=0.001),
        act_cfg=dict(type='SiLU', inplace=True)),
    neck=dict(
        type='YOLOv5PAFPN',
        deepen_factor=deepen_factor,
        widen_factor=widen_factor,
        in_channels=[256, 512, 1024],
        out_channels=[256, 512, 1024],
        num_csp_blocks=3,
        norm_cfg=dict(type='BN', momentum=0.03, eps=0.001),
        act_cfg=dict(type='SiLU', inplace=True)),
    bbox_head=dict(
        type='YOLOv5Head',
        head_module=dict(
            type='YOLOv5HeadModule',
            num_classes=num_classes,
            in_channels=[256, 512, 1024],
            widen_factor=widen_factor,
            featmap_strides=strides,
            num_base_priors=3),
        prior_generator=dict(
            type='mmdet.YOLOAnchorGenerator',
            base_sizes=anchors,
            strides=strides),
        # scaled based on number of detection layers
        loss_cls=dict(
            type='mmdet.CrossEntropyLoss',
            use_sigmoid=True,
            reduction='mean',
            loss_weight=0.5 * (num_classes / 80 * 3 / num_det_layers)),
        loss_bbox=dict(
            type='IoULoss',
            iou_mode='ciou',
            bbox_format='xywh',
            eps=1e-7,
            reduction='mean',
            loss_weight=0.05 * (3 / num_det_layers),
            return_iou=True),
        loss_obj=dict(
            type='mmdet.CrossEntropyLoss',
            use_sigmoid=True,
            reduction='mean',
            loss_weight=1.0 * ((img_scale[0] / 640)**2 * 3 / num_det_layers)),
        prior_match_thr=4.,
        obj_level_weights=[4., 1., 0.4]),
    test_cfg=dict(
        multi_label=True,
        nms_pre=30000,
        score_thr=0.001,
        nms=dict(type='nms', iou_threshold=0.65),
        max_per_img=300))

YOLOv5 框架结构：

如何查看模型结构呢：

在 tools/train.py 的 line 109 后面打上断点：

    else:
        # build customized runner from the registry
        # if 'runner_type' is set in the cfg
        runner = RUNNERS.build(cfg)
    import pdb; pdb.set_trace()
    # start training
    runner.train()

然后在终端输入 runner.model 即可拿到模型的结构，由于模型过长，这里简洁整理：

YOLODetector(
  (data_preprocessor): YOLOv5DetDataPreprocessor()
  (backbone): YOLOv5CSPDarknet()
  (neck): YOLOv5PAFPN()
  (bbox_head): YOLOv5Head()
)

Backbone 如下：

 (backbone): YOLOv5CSPDarknet(
    (stem): conv(in=3, out=32, size=6x6, s=2, pading=2) + BN + SiLU
    (stage1): conv(in=32, out=64, size=3X3, s=2, pading=1) + BN + SiLU
    		  CSPLayer:conv(in=64, out=32, size=1x1, s=1) + BN + SiLU
    		  		   conv(in=64, out=32, size=1x1, s=1) + BN + SiLU
    		  		   conv(in=64, out=64, size=1x1, s=1) + BN + SiLU
    		  		   DarknetBottleNeck0:conv(in=32, out=32, size=1x1, s=1) + BN + SiLU
    		  		   					 conv(in=32, out=32, size=3x3, s=1, padding=1) + BN + SiLU
    (stage2): conv(in=64, out=128, size=3X3, s=2, pading=1) + BN + SiLU
    		  CSPLayer:conv(in=128, out=64, size=1x1, s=1) + BN + SiLU
    		  		   conv(in=128, out=64, size=1x1, s=1) + BN + SiLU
    		  		   conv(in=128, out=128, size=1x1, s=1) + BN + SiLU
    		  		   DarknetBottleNeck0:conv(in=64, out=64, size=1x1, s=1) + BN + SiLU
    		  		   					  conv(in=64, out=64, size=3x3, s=1, padding=1) + BN + SiLU   
		  		   	   DarknetBottleNeck1:conv(in=64, out=64, size=1x1, s=1) + BN + SiLU
		  		   					      conv(in=64, out=64, size=3x3, s=1, padding=1) + BN + SiLU   
    (stage3): conv(in=128, out=256, size=3X3, s=2, pading=1) + BN + SiLU
    		  CSPLayer:conv(in=256, out=128, size=1x1, s=1) + BN + SiLU
    		  		   conv(in=256, out=128, size=1x1, s=1) + BN + SiLU
    		  		   conv(in=256, out=128, size=1x1, s=1) + BN + SiLU
    		  		   DarknetBottleNeck0:conv(in=128, out=128, size=1x1, s=1) + BN + SiLU
    		  		   					  conv(in=128, out=128, size=3x3, s=1, padding=1) + BN + SiLU   
		  		   	   DarknetBottleNeck1:conv(in=128, out=128, size=1x1, s=1) + BN + SiLU
		  		   					      conv(in=128, out=128, size=3x3, s=1, padding=1) + BN + SiLU   
		  		   	   DarknetBottleNeck2:conv(in=128, out=128, size=1x1, s=1) + BN + SiLU
		  		   					      conv(in=128, out=128, size=3x3, s=1, padding=1) + BN + SiLU   		  		   					      
    (stage4): conv(in=256, out=512, size=3X3, s=2, pading=1) + BN + SiLU
    		  CSPLayer:conv(in=512, out=256, size=1x1, s=1) + BN + SiLU
    		  		   conv(in=512, out=256, size=1x1, s=1) + BN + SiLU
    		  		   conv(in=512, out=512, size=1x1, s=1) + BN + SiLU
    		  		   DarknetBottleNeck0:conv(in=256, out=256, size=1x1, s=1) + BN + SiLU
    		  		   					  conv(in=256, out=256, size=3x3, s=1, padding=1) + BN + SiLU   
 		   	  SPPF:conv(in=512, out=256, size=1x1, s=1) + BN + SiLU
 		   	       maxpooling(size=5x5, s=1, padding=2, dilation=1)
 		   		   conv(in=1024, out=512, size=1x1, s=1, padding=1) + BN + SiLU   

整个模型框架结构如下：

 (backbone): YOLOv5CSPDarknet(
    (stem): ConvModule(
      (conv): Conv2d(3, 32, kernel_size=(6, 6), stride=(2, 2), padding=(2, 2), bias=False)
      (bn): BatchNorm2d(32, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
      (activate): SiLU(inplace=True)
    )
    (stage1): Sequential(
      (0): ConvModule(
        (conv): Conv2d(32, 64, kernel_size=(3, 3), stride=(2, 2), padding=(1, 1), bias=False)
        (bn): BatchNorm2d(64, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
        (activate): SiLU(inplace=True)
      )
      (1): CSPLayer(
        (main_conv): ConvModule(
          (conv): Conv2d(64, 32, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn): BatchNorm2d(32, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
          (activate): SiLU(inplace=True)
        )
        (short_conv): ConvModule(
          (conv): Conv2d(64, 32, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn): BatchNorm2d(32, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
          (activate): SiLU(inplace=True)
        )
        (final_conv): ConvModule(
          (conv): Conv2d(64, 64, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn): BatchNorm2d(64, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
          (activate): SiLU(inplace=True)
        )
        (blocks): Sequential(
          (0): DarknetBottleneck(
            (conv1): ConvModule(
              (conv): Conv2d(32, 32, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
              (bn): BatchNorm2d(32, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
              (activate): SiLU(inplace=True)
            )
            (conv2): ConvModule(
              (conv): Conv2d(32, 32, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
              (bn): BatchNorm2d(32, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
              (activate): SiLU(inplace=True)
            )
          )
        )
      )
    )
    (stage2): Sequential(
      (0): ConvModule(
        (conv): Conv2d(64, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(2, 2), padding=(1, 1), bias=False)
        (bn): BatchNorm2d(128, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
        (activate): SiLU(inplace=True)
      )
      (1): CSPLayer(
        (main_conv): ConvModule(
          (conv): Conv2d(128, 64, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn): BatchNorm2d(64, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
          (activate): SiLU(inplace=True)
        )
        (short_conv): ConvModule(
          (conv): Conv2d(128, 64, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn): BatchNorm2d(64, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
          (activate): SiLU(inplace=True)
        )
        (final_conv): ConvModule(
          (conv): Conv2d(128, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn): BatchNorm2d(128, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
          (activate): SiLU(inplace=True)
        )
        (blocks): Sequential(
          (0): DarknetBottleneck(
            (conv1): ConvModule(
              (conv): Conv2d(64, 64, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
              (bn): BatchNorm2d(64, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
              (activate): SiLU(inplace=True)
            )
            (conv2): ConvModule(
              (conv): Conv2d(64, 64, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
              (bn): BatchNorm2d(64, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
              (activate): SiLU(inplace=True)
            )
          )
          (1): DarknetBottleneck(
            (conv1): ConvModule(
              (conv): Conv2d(64, 64, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
              (bn): BatchNorm2d(64, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
              (activate): SiLU(inplace=True)
            )
            (conv2): ConvModule(
              (conv): Conv2d(64, 64, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
              (bn): BatchNorm2d(64, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
              (activate): SiLU(inplace=True)
            )
          )
        )
      )
    )
    (stage3): Sequential(
      (0): ConvModule(
        (conv): Conv2d(128, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(2, 2), padding=(1, 1), bias=False)
        (bn): BatchNorm2d(256, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
        (activate): SiLU(inplace=True)
      )
      (1): CSPLayer(
        (main_conv): ConvModule(
          (conv): Conv2d(256, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn): BatchNorm2d(128, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
          (activate): SiLU(inplace=True)
        )
        (short_conv): ConvModule(
          (conv): Conv2d(256, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn): BatchNorm2d(128, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
          (activate): SiLU(inplace=True)
        )
        (final_conv): ConvModule(
          (conv): Conv2d(256, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn): BatchNorm2d(256, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
          (activate): SiLU(inplace=True)
        )
        (blocks): Sequential(
          (0): DarknetBottleneck(
            (conv1): ConvModule(
              (conv): Conv2d(128, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
              (bn): BatchNorm2d(128, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
              (activate): SiLU(inplace=True)
            )
            (conv2): ConvModule(
              (conv): Conv2d(128, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
              (bn): BatchNorm2d(128, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
              (activate): SiLU(inplace=True)
            )
          )
          (1): DarknetBottleneck(
            (conv1): ConvModule(
              (conv): Conv2d(128, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
              (bn): BatchNorm2d(128, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
              (activate): SiLU(inplace=True)
            )
            (conv2): ConvModule(
              (conv): Conv2d(128, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
              (bn): BatchNorm2d(128, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
              (activate): SiLU(inplace=True)
            )
          )
          (2): DarknetBottleneck(
            (conv1): ConvModule(
              (conv): Conv2d(128, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
              (bn): BatchNorm2d(128, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
              (activate): SiLU(inplace=True)
            )
            (conv2): ConvModule(
              (conv): Conv2d(128, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
              (bn): BatchNorm2d(128, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
              (activate): SiLU(inplace=True)
            )
          )
        )
      )
    )
    (stage4): Sequential(
      (0): ConvModule(
        (conv): Conv2d(256, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(2, 2), padding=(1, 1), bias=False)
        (bn): BatchNorm2d(512, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
        (activate): SiLU(inplace=True)
      )
      (1): CSPLayer(
        (main_conv): ConvModule(
          (conv): Conv2d(512, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn): BatchNorm2d(256, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
          (activate): SiLU(inplace=True)
        )
        (short_conv): ConvModule(
          (conv): Conv2d(512, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn): BatchNorm2d(256, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
          (activate): SiLU(inplace=True)
        )
        (final_conv): ConvModule(
          (conv): Conv2d(512, 512, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn): BatchNorm2d(512, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
          (activate): SiLU(inplace=True)
        )
        (blocks): Sequential(
          (0): DarknetBottleneck(
            (conv1): ConvModule(
              (conv): Conv2d(256, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
              (bn): BatchNorm2d(256, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
              (activate): SiLU(inplace=True)
            )
            (conv2): ConvModule(
              (conv): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
              (bn): BatchNorm2d(256, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
              (activate): SiLU(inplace=True)
            )
          )
        )
      )
      (2): SPPFBottleneck(
        (conv1): ConvModule(
          (conv): Conv2d(512, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn): BatchNorm2d(256, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
          (activate): SiLU(inplace=True)
        )
        (poolings): MaxPool2d(kernel_size=5, stride=1, padding=2, dilation=1, ceil_mode=False)
        (conv2): ConvModule(
          (conv): Conv2d(1024, 512, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn): BatchNorm2d(512, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
          (activate): SiLU(inplace=True)
        )
      )
    )
  )
  (neck): YOLOv5PAFPN(
    (reduce_layers): ModuleList(
      (0): Identity()
      (1): Identity()
      (2): ConvModule(
        (conv): Conv2d(512, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
        (bn): BatchNorm2d(256, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
        (activate): SiLU(inplace=True)
      )
    )
    (upsample_layers): ModuleList(
      (0): Upsample(scale_factor=2.0, mode=nearest)
      (1): Upsample(scale_factor=2.0, mode=nearest)
    )
    (top_down_layers): ModuleList(
      (0): Sequential(
        (0): CSPLayer(
          (main_conv): ConvModule(
            (conv): Conv2d(512, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
            (bn): BatchNorm2d(128, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
            (activate): SiLU(inplace=True)
          )
          (short_conv): ConvModule(
            (conv): Conv2d(512, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
            (bn): BatchNorm2d(128, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
            (activate): SiLU(inplace=True)
          )
          (final_conv): ConvModule(
            (conv): Conv2d(256, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
            (bn): BatchNorm2d(256, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
            (activate): SiLU(inplace=True)
          )
          (blocks): Sequential(
            (0): DarknetBottleneck(
              (conv1): ConvModule(
                (conv): Conv2d(128, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
                (bn): BatchNorm2d(128, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
                (activate): SiLU(inplace=True)
              )
              (conv2): ConvModule(
                (conv): Conv2d(128, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
                (bn): BatchNorm2d(128, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
                (activate): SiLU(inplace=True)
              )
            )
          )
        )
        (1): ConvModule(
          (conv): Conv2d(256, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn): BatchNorm2d(128, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
          (activate): SiLU(inplace=True)
        )
      )
      (1): CSPLayer(
        (main_conv): ConvModule(
          (conv): Conv2d(256, 64, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn): BatchNorm2d(64, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
          (activate): SiLU(inplace=True)
        )
        (short_conv): ConvModule(
          (conv): Conv2d(256, 64, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn): BatchNorm2d(64, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
          (activate): SiLU(inplace=True)
        )
        (final_conv): ConvModule(
          (conv): Conv2d(128, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn): BatchNorm2d(128, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
          (activate): SiLU(inplace=True)
        )
        (blocks): Sequential(
          (0): DarknetBottleneck(
            (conv1): ConvModule(
              (conv): Conv2d(64, 64, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
              (bn): BatchNorm2d(64, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
              (activate): SiLU(inplace=True)
            )
            (conv2): ConvModule(
              (conv): Conv2d(64, 64, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
              (bn): BatchNorm2d(64, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
              (activate): SiLU(inplace=True)
            )
          )
        )
      )
    )
    (downsample_layers): ModuleList(
      (0): ConvModule(
        (conv): Conv2d(128, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(2, 2), padding=(1, 1), bias=False)
        (bn): BatchNorm2d(128, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
        (activate): SiLU(inplace=True)
      )
      (1): ConvModule(
        (conv): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(2, 2), padding=(1, 1), bias=False)
        (bn): BatchNorm2d(256, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
        (activate): SiLU(inplace=True)
      )
    )
    (bottom_up_layers): ModuleList(
      (0): CSPLayer(
        (main_conv): ConvModule(
          (conv): Conv2d(256, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn): BatchNorm2d(128, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
          (activate): SiLU(inplace=True)
        )
        (short_conv): ConvModule(
          (conv): Conv2d(256, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn): BatchNorm2d(128, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
          (activate): SiLU(inplace=True)
        )
        (final_conv): ConvModule(
          (conv): Conv2d(256, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn): BatchNorm2d(256, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
          (activate): SiLU(inplace=True)
        )
        (blocks): Sequential(
          (0): DarknetBottleneck(
            (conv1): ConvModule(
              (conv): Conv2d(128, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
              (bn): BatchNorm2d(128, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
              (activate): SiLU(inplace=True)
            )
            (conv2): ConvModule(
              (conv): Conv2d(128, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
              (bn): BatchNorm2d(128, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
              (activate): SiLU(inplace=True)
            )
          )
        )
      )
      (1): CSPLayer(
        (main_conv): ConvModule(
          (conv): Conv2d(512, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn): BatchNorm2d(256, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
          (activate): SiLU(inplace=True)
        )
        (short_conv): ConvModule(
          (conv): Conv2d(512, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn): BatchNorm2d(256, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
          (activate): SiLU(inplace=True)
        )
        (final_conv): ConvModule(
          (conv): Conv2d(512, 512, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn): BatchNorm2d(512, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
          (activate): SiLU(inplace=True)
        )
        (blocks): Sequential(
          (0): DarknetBottleneck(
            (conv1): ConvModule(
              (conv): Conv2d(256, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
              (bn): BatchNorm2d(256, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
              (activate): SiLU(inplace=True)
            )
            (conv2): ConvModule(
              (conv): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
              (bn): BatchNorm2d(256, eps=0.001, momentum=0.03, affine=True, track_running_stats=True)
              (activate): SiLU(inplace=True)
            )
          )
        )
      )
    )
    (out_layers): ModuleList(
      (0): Identity()
      (1): Identity()
      (2): Identity()
    )
  )
    (bbox_head): YOLOv5Head(
    (head_module): YOLOv5HeadModule(
      (convs_pred): ModuleList(
        (0): Conv2d(128, 18, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1))
        (1): Conv2d(256, 18, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1))
        (2): Conv2d(512, 18, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1))
      )
    )
    (loss_cls): CrossEntropyLoss(avg_non_ignore=False)
    (loss_bbox): IoULoss()
    (loss_obj): CrossEntropyLoss(avg_non_ignore=False)
  )
)

2.1.2 Neck

CSP-PAFPN

SPP 和 SPPF：

• SPP：Spatial Pyramid Poolig，是空间金字塔池化，并行的使用不同大小的池化方式，然后将得到的 maxpooling 输出特征图 concat 起来
• SPPF：Spatial Pyramid Poolig Fast，是空间金字塔池化的快速版本，计算量变小的，使用串行的方式，下一个 maxpooling 接收的是上一个 maxpooling 的输出，然后将所有 maxpooling 的输出 concat 起来

import time
import torch
import torch.nn as nn


class SPP(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.maxpool1 = nn.MaxPool2d(5, 1, padding=2)
        self.maxpool2 = nn.MaxPool2d(9, 1, padding=4)
        self.maxpool3 = nn.MaxPool2d(13, 1, padding=6)

    def forward(self, x):
        o1 = self.maxpool1(x)
        o2 = self.maxpool2(x)
        o3 = self.maxpool3(x)
        return torch.cat([x, o1, o2, o3], dim=1)


class SPPF(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.maxpool = nn.MaxPool2d(5, 1, padding=2)

    def forward(self, x):
        o1 = self.maxpool(x)
        o2 = self.maxpool(o1)
        o3 = self.maxpool(o2)
        return torch.cat([x, o1, o2, o3], dim=1)

2.1.3 Head

YOLOv5 的输出如下：

• 80x80x((5+Ncls)x3)：每个特征点上都有 4 个 reg、1 个 置信度、Ncls 个类别得分
• 40x40x((5+Ncls)x3)
• 20x20x((5+Ncls)x3)

YOLOv5 中的 anchor：

# coco 初始设定 anchor 的宽高如下，每个尺度的 head 上放置 3 种 anchor
anchors:
  - [10,13, 16,30, 33,23]  # P3/8
  - [30,61, 62,45, 59,119]  # P4/16
  - [116,90, 156,198, 373,326]  # P5/32

如何放置 anchor：

• 在 8 倍下采样特征图上（80x80）的每个特征点，分别放置宽高为 (10, 13)、(16, 30)、(33,23) 的 3 种 anchors
• 在 16 倍下采样特征图上（40x40）的每个特征点，分别放置宽高为 (30, 61)、(62, 45)、(59, 119) 的 3 种 anchors
• 在 32 倍下采样特征图上（20x20）的每个特征点，分别放置宽高为 (116, 90)、(156, 198)、(373,326) 的 3 种 anchors

2.2 YOLO 系列算法如何进行正负样本分配

YOLO 系列算法都是如何进行 anchor 正负的分配：

• YOLO 原本的思想就是 gt 框的中心点落入哪个特征点（其实也就是 v1 中的 grid），则由哪个特征点（head 特征图上的特征点可以看做原图的一个 grid）来负责预测该 gt
• YOLOv1 中，每个特征点输入 2 个预测框（7x7大小），训练的时候计算这两个预测框和 gt 的 IoU，保留 IoU 大的那个预测框作为该特征点最终的预测框，推理的时候保留 score（包含物体的可能性）大的那个框作为预测框，得到 7x7x（5x2+80）的结果向量。也就是将和 gt 的 IoU 最大的一个 anchor 作为正样本，其余作为负样本。
• YOLOv2 中，使用 k-means 的方法为每个特征点生成 5 个 anchor（特征图大小 13x13），计算该特征点上的 anchor 和中心落入该特征点的 gt 的 IoU，每个 gt 分配一个和其 IoU 最大的 anchor 作为正样本，IoU 小于设定阈值的（如 0.2）作为负样本。
• YOLOv3 中，类似 YOLOv2，使用 k-means 的方法为每个特征点生成 9 个 anchor（特征图大小 13x13， 26x26，52x52），每个尺度上有 3 个 anchor，仍然使用 max_iou 方法，每个 gt 分配一个和其 IoU 最大的 anchor 作为正样本，IoU 小于设定阈值的（如 0.2）作为负样本。
• YOLOv4 中，如果使用 max_iou 方法，只为每个 gt 分配一个正样本的话，可能还会导致一些目标的漏检，所以 YOLOv4 中将 和 gt 的 IoU 大于阈值的 anchor box，都视作正样本，小于设定阈值的作为负样本
• YOLOv5 中， 会将一个特征点分为四个象限，计算该 gt 的中心点处于四个象限中的哪一个，并将邻近的两个特征点也作为正样本。若 gt 偏向于右下角的象限，就会将 gt 所在 grid 的右边、下边特征点也作为正样本。
• YOLOv6 中，引入了 TAL 来进行正负样本分配，TAL 中引入了分类和回归是否对齐的衡量指标：anchor alignment metric $t=s^{\alpha }\times u^{\beta }$，其中 s 为分类 score，u 为 IoU 的值，对于每个 gt，选择 m 个 t 值最大的 anchor 作为正样本，其他的 anchor 作为负样本，并且将 t 嵌入分类和回归损失函数实现动态分配。$L_{cls}={\Sigma }_{i=1}^{N_{pos}}|\widehat{t_i}-s_i|BCE(s_i,\widehat{t_i})+{\Sigma }_{j=1}^{N_{neg}}{s}_j^{\gamma }BCE(s_j,0)$，$L_{reg}={\Sigma }_{i=1}^{N_{pos}}\widehat{t_i}{L}_{GIoU}(b_i,\widehat{b_i})$，TAL 的总训练损失为 $L_{cls}+L_{reg}$
• YOLOv7中，将 YOLOv5 和 YOLOX 中使用的 SimOTA 进行了结合，将 SimOTA 中的第一步 「使用中心先验」替换成 YOLOv5 中的象限选择策略。（SimOTA：求每个真值和 anchor 的传输花费，对于每个真值，在中心 center 区域选择花费最小的前 k 个 anchor 作为该 gt 的正样本）。
• YOLOv8中，也使用 TAL