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FasterBlock改进特征提取网络
一、本文介绍
本文给大家带来的改进机制是利用FasterNet的FasterBlock改进特征提取网络，将其用来改进ResNet网络，其旨在提高计算速度而不牺牲准确性，特别是在视觉任务中。它通过一种称为**部分卷积（PConv）**的新技术来减少冗余计算和内存访问。这种方法使得FasterNet在多种设备上运行速度比其他网络快得多，同时在各种视觉任务中保持高准确率，同时本文的内容为我独家创新，全网仅此一份，同时本文的改进机制参数量下降70W，V8n的计算量为6.5GFLOPs。
二、FasterNet原理
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2.1 FasterNet的基本原理
FasterNet是一种高效的神经网络架构，旨在提高计算速度而不牺牲准确性，特别是在视觉任务中。它通过一种称为部分卷积（PConv）的新技术来减少冗余计算和内存访问。这种方法使得FasterNet在多种设备上运行速度比其他网络快得多，同时在各种视觉任务中保持高准确率。例如，FasterNet在ImageNet-1k数据集上的表现超过了其他模型，如MobileViT-XXS，展现了其在速度和准确度方面的优势。
FasterNet的基本原理可以总结为以下几点：
1. 部分卷积（PConv）: FasterNet引入了部分卷积（PConv），这是一种新型的卷积方法，它通过只处理输入通道的一部分来减少计算量和内存访问。
2. 加速神经网络: FasterNet利用PConv的优势，实现了在多种设备上比其他现有神经网络更快的运行速度，同时保持了较高的准确度。
下面为大家展示的是FasterNet的整体架构。
它包括四个层次化的阶段，每个阶段由一系列FasterNet块组成，并由嵌入或合并层开头。最后三层用于特征分类。在每个FasterNet块中，PConv层之后是两个点状卷积（PWConv）层。为了保持特征多样性并实现更低的延迟，仅在中间层之后放置了归一化和激活层。
2.2 部分卷积
部分卷积（PConv）是一种卷积神经网络中的操作，旨在提高计算效率。它通过只在输入特征图的一部分上执行卷积操作，而非传统卷积操作中的全面应用。这样，PConv可以减少不必要的计算和内存访问，因为它忽略了输入中认为是冗余的部分。这种方法特别适合在资源有限的设备上运行深度学习模型，因为它可以在不牺牲太多性能的情况下，显著降低计算需求。
下面我为大家展示了FasterNet中的部分卷积（PConv）与传统卷积和深度卷积/分组卷积的比较：
PConv通过仅对输入通道的一小部分应用滤波器，同时保持其余通道不变，实现了快速和高效的特性提取。PConv的计算复杂度（FLOPs）低于常规卷积，但高于深度卷积/分组卷积，这样在减少计算资源的同时提高了运算性能。
2.3 加速神经网络
加速神经网络主要通过优化计算路径、减少模型大小和复杂性、提高操作效率，以及使用高效的硬件实现等方式来降低模型的推理时间。这些方法包括
简化网络层、使用更快的激活函数、采用量化技术将浮点运算转换为整数运算，以及使用特殊的算法来减少内存访问次数等。通过这些策略，可以在不损害模型准确性的前提下，使神经网络能够更快地处理数据和做出预测。
三、FasterBlock的核心代码
python
import torch
import torch.nn as nn
from timm.models.layers import DropPath
__all__ = ['C2f_FasterBlock']
class Partial_conv3(nn.Module):
def __init__(self, dim, n_div, forward):
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
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))
class FasterBlock(nn.Module):
def __init__(self,
inc,
dim,
n_div=4,
mlp_ratio=2,
drop_path=0.1,
layer_scale_init_value=0.0,
act_layer='RELU',
norm_layer='BN',
pconv_fw_type='split_cat'
):
super().__init__()
self.dim = dim
self.inc = inc
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 = [
nn.Conv2d(dim, mlp_hidden_dim, 1, bias=False),
nn.BatchNorm2d(mlp_hidden_dim),
nn.ReLU(),
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
)
if inc != dim: # 在输入和输出不等时添加额外处理一步
self.firstConv = 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.inc != self.dim:
x = self.firstConv(x)
shortcut = x
x = self.spatial_mixing(x)
x = shortcut + self.drop_path(self.mlp(x))
return x
def forward_layer_scale(self, x):
if self.inc != self.dim:
x = self.firstConv(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_FasterBlock(nn.Module):
"""Faster Implementation of CSP Bottleneck with 2 convolutions."""
def __init__(self, c1, c2, n=1, shortcut=False, g=1, e=0.5):
"""Initialize CSP bottleneck layer with two convolutions with arguments 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(FasterBlock(self.c, self.c) for _ in range(n))
def forward(self, x):
"""Forward pass through C2f layer."""
x = self.cv1(x)
x = x.chunk(2, 1)
y = list(x)
# 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))
if __name__ == "__main__":
# Generating Sample image
image_size = (1, 64, 240, 240)
image = torch.rand(*image_size)
# Model
model = C2f_FasterBlock(64, 64)
out = model(image)
print(out.size())四、 手把手教你添加FasterBlock机制
4.1 修改一
第一还是建立文件，我们找到如下ultralytics/nn/modules文件夹下建立一个目录名字呢就是'Addmodules'文件夹，然后在其内部建立一个新的py文件将核心代码复制粘贴进去即可。
4.2 修改二
第二步我们在该目录下创建一个新的py文件名字为'__init__.py'，然后在其内部导入我们的检测头如下图所示。
4.3 修改三
第三步我门中到如下文件'ultralytics/nn/tasks.py'进行导入和注册我们的模块。
4.4 修改四
按照我的添加在parse_model里添加即可。
到此就修改完成了，大家可以复制下面的yaml文件运行。
五、FasterBlock的yaml文件和运行记录
5.1 FasterBlock的yaml文件
python
# 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_FasterBlock, [128, True]]
- [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]] # 3-P3/8
- [-1, 6, C2f_FasterBlock, [256, True]]
- [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]] # 5-P4/16
- [-1, 6, C2f_FasterBlock, [512, True]]
- [-1, 1, Conv, [1024, 3, 2]] # 7-P5/32
- [-1, 3, C2f_FasterBlock, [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_FasterBlock, [512]] # 12
- [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']]
- [[-1, 4], 1, Concat, [1]] # cat backbone P3
- [-1, 3, C2f_FasterBlock, [256]] # 15 (P3/8-small)
- [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]]
- [[-1, 12], 1, Concat, [1]] # cat head P4
- [-1, 3, C2f_FasterBlock, [512]] # 18 (P4/16-medium)
- [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]]
- [[-1, 9], 1, Concat, [1]] # cat head P5
- [-1, 3, C2f_FasterBlock, [1024]] # 21 (P5/32-large)
- [[15, 18, 21], 1, Detect, [nc]] # Detect(P3, P4, P5)5.2 训练代码
大家可以创建一个py文件将我给的代码复制粘贴进去，配置好自己的文件路径即可运行。
python
import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')
from ultralytics import YOLO
if __name__ == '__main__':
model = YOLO('ultralytics/cfg/models/v8/yolov8-C2f-FasterBlock.yaml')
# model.load('yolov8n.pt') # loading pretrain weights
model.train(data=r'替换数据集yaml文件地址',
# 如果大家任务是其它的'ultralytics/cfg/default.yaml'找到这里修改task可以改成detect, segment, classify, pose
cache=False,
imgsz=640,
epochs=150,
single_cls=False, # 是否是单类别检测
batch=4,
close_mosaic=10,
workers=0,
device='0',
optimizer='SGD', # using SGD
# resume='', # 如过想续训就设置last.pt的地址
amp=False, # 如果出现训练损失为Nan可以关闭amp
project='runs/train',
name='exp',
)5.3 FasterBlock的训练过程截图
