YOLOv8改进 | 2023主干篇 | FasterNeT跑起来的主干网络（提高FPS和检测效率）

一、本文介绍

本文给大家带来的改进机制是FasterNet网络，将其用来替换我们的特征提取网络，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。经过我的实验该主干网络确实能够涨点在大中小三种物体检测上，同时该主干网络也提供多种版本，大家可以在源代码中进行修改版本的使用。本文通过介绍其主要框架原理，然后教大家如何添加该网络结构到网络模型中。

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涨点效果：⭐⭐⭐⭐⭐

专栏回顾：YOLOv8改进系列专栏——本专栏持续复习各种顶会内容——科研必备

训练结果对比图->

二、FasterNet原理

论文地址：官方论文地址

代码地址：官方代码地址

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、FasterNet的核心代码

# Copyright (c) Microsoft Corporation.
# Licensed under the MIT License.
import torch
import torch.nn as nn
from timm.models.layers import DropPath, trunc_normal_
from functools import partial
from typing import List
from torch import Tensor
import copy
import os


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: Tensor) -> Tensor:
        # 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: Tensor) -> Tensor:
        # 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 MLPBlock(nn.Module):

    def __init__(self,
                 dim,
                 n_div,
                 mlp_ratio,
                 drop_path,
                 layer_scale_init_value,
                 act_layer,
                 norm_layer,
                 pconv_fw_type
                 ):

        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: List[nn.Module] = [
            nn.Conv2d(dim, mlp_hidden_dim, 1, bias=False),
            norm_layer(mlp_hidden_dim),
            act_layer(),
            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 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: Tensor) -> Tensor:
        shortcut = x
        x = self.spatial_mixing(x)
        x = shortcut + self.drop_path(self.mlp(x))
        return x

    def forward_layer_scale(self, x: Tensor) -> Tensor:
        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 BasicStage(nn.Module):

    def __init__(self,
                 dim,
                 depth,
                 n_div,
                 mlp_ratio,
                 drop_path,
                 layer_scale_init_value,
                 norm_layer,
                 act_layer,
                 pconv_fw_type
                 ):

        super().__init__()

        blocks_list = [
            MLPBlock(
                dim=dim,
                n_div=n_div,
                mlp_ratio=mlp_ratio,
                drop_path=drop_path[i],
                layer_scale_init_value=layer_scale_init_value,
                norm_layer=norm_layer,
                act_layer=act_layer,
                pconv_fw_type=pconv_fw_type
            )
            for i in range(depth)
        ]

        self.blocks = nn.Sequential(*blocks_list)

    def forward(self, x: Tensor) -> Tensor:
        x = self.blocks(x)
        return x


class PatchEmbed(nn.Module):

    def __init__(self, patch_size, patch_stride, in_chans, embed_dim, norm_layer):
        super().__init__()
        self.proj = nn.Conv2d(in_chans, embed_dim, kernel_size=patch_size, stride=patch_stride, bias=False)
        if norm_layer is not None:
            self.norm = norm_layer(embed_dim)
        else:
            self.norm = nn.Identity()

    def forward(self, x: Tensor) -> Tensor:
        x = self.norm(self.proj(x))
        return x


class PatchMerging(nn.Module):

    def __init__(self, patch_size2, patch_stride2, dim, norm_layer):
        super().__init__()
        self.reduction = nn.Conv2d(dim, 2 * dim, kernel_size=patch_size2, stride=patch_stride2, bias=False)
        if norm_layer is not None:
            self.norm = norm_layer(2 * dim)
        else:
            self.norm = nn.Identity()

    def forward(self, x: Tensor) -> Tensor:
        x = self.norm(self.reduction(x))
        return x


class FasterNet(nn.Module):

    def __init__(self,
                 in_chans=3,
                 num_classes=1000,
                 embed_dim=96,
                 depths=(1, 2, 8, 2),
                 mlp_ratio=2.,
                 n_div=4,
                 patch_size=4,
                 patch_stride=4,
                 patch_size2=2,  # for subsequent layers
                 patch_stride2=2,
                 patch_norm=True,
                 feature_dim=1280,
                 drop_path_rate=0.1,
                 layer_scale_init_value=0,
                 norm_layer='BN',
                 act_layer='RELU',
                 fork_feat=True,
                 init_cfg=None,
                 pretrained=None,
                 pconv_fw_type='split_cat',
                 **kwargs):
        super().__init__()

        if norm_layer == 'BN':
            norm_layer = nn.BatchNorm2d
        else:
            raise NotImplementedError

        if act_layer == 'GELU':
            act_layer = nn.GELU
        elif act_layer == 'RELU':
            act_layer = partial(nn.ReLU, inplace=True)
        else:
            raise NotImplementedError

        if not fork_feat:
            self.num_classes = num_classes
        self.num_stages = len(depths)
        self.embed_dim = embed_dim
        self.patch_norm = patch_norm
        self.num_features = int(embed_dim * 2 ** (self.num_stages - 1))
        self.mlp_ratio = mlp_ratio
        self.depths = depths

        # split image into non-overlapping patches
        self.patch_embed = PatchEmbed(
            patch_size=patch_size,
            patch_stride=patch_stride,
            in_chans=in_chans,
            embed_dim=embed_dim,
            norm_layer=norm_layer if self.patch_norm else None
        )

        # stochastic depth decay rule
        dpr = [x.item()
               for x in torch.linspace(0, drop_path_rate, sum(depths))]

        # build layers
        stages_list = []
        for i_stage in range(self.num_stages):
            stage = BasicStage(dim=int(embed_dim * 2 ** i_stage),
                               n_div=n_div,
                               depth=depths[i_stage],
                               mlp_ratio=self.mlp_ratio,
                               drop_path=dpr[sum(depths[:i_stage]):sum(depths[:i_stage + 1])],
                               layer_scale_init_value=layer_scale_init_value,
                               norm_layer=norm_layer,
                               act_layer=act_layer,
                               pconv_fw_type=pconv_fw_type
                               )
            stages_list.append(stage)

            # patch merging layer
            if i_stage < self.num_stages - 1:
                stages_list.append(
                    PatchMerging(patch_size2=patch_size2,
                                 patch_stride2=patch_stride2,
                                 dim=int(embed_dim * 2 ** i_stage),
                                 norm_layer=norm_layer)
                )

        self.stages = nn.Sequential(*stages_list)

        self.fork_feat = fork_feat

        self.forward = self.forward_det
        # add a norm layer for each output
        self.out_indices = [0, 2, 4, 6]
        for i_emb, i_layer in enumerate(self.out_indices):
            if i_emb == 0 and os.environ.get('FORK_LAST3', None):
                raise NotImplementedError
            else:
                layer = norm_layer(int(embed_dim * 2 ** i_emb))
            layer_name = f'norm{i_layer}'
            self.add_module(layer_name, layer)

        self.apply(self.cls_init_weights)
        self.init_cfg = copy.deepcopy(init_cfg)
        if self.fork_feat and (self.init_cfg is not None or pretrained is not None):
            self.init_weights()
        self.width_list = [i.size(1) for i in self.forward(torch.randn(1, 3, 640, 640))]
    def cls_init_weights(self, m):
        if isinstance(m, nn.Linear):
            trunc_normal_(m.weight, std=.02)
            if isinstance(m, nn.Linear) and m.bias is not None:
                nn.init.constant_(m.bias, 0)
        elif isinstance(m, (nn.Conv1d, nn.Conv2d)):
            trunc_normal_(m.weight, std=.02)
            if m.bias is not None:
                nn.init.constant_(m.bias, 0)
        elif isinstance(m, (nn.LayerNorm, nn.GroupNorm)):
            nn.init.constant_(m.bias, 0)
            nn.init.constant_(m.weight, 1.0)



    def forward_det(self, x: Tensor) -> Tensor:
        # output the features of four stages for dense prediction
        x = self.patch_embed(x)
        outs = []
        for idx, stage in enumerate(self.stages):
            x = stage(x)
            if self.fork_feat and idx in self.out_indices:
                norm_layer = getattr(self, f'norm{idx}')
                x_out = norm_layer(x)
                outs.append(x_out)
        return outs


if __name__ == "__main__":

    # Generating Sample image
    image_size = (1, 3, 640, 640)
    image = torch.rand(*image_size)

    # Model
    model = FasterNet()

    out = model(image)
    print(len(out))

四、手把手教你添加FasterNet机制

这个主干的网络结构添加起来算是所有的改进机制里最麻烦的了，因为有一些网略结构可以用yaml文件搭建出来，有一些网络结构其中的一些细节根本没有办法用yaml文件去搭建，用yaml文件去搭建会损失一些细节部分(而且一个网络结构设计很多细节的结构修改方式都不一样，一个一个去修改大家难免会出错)，所以这里让网络直接返回整个网络，然后修改部分 yolo代码以后就都以这种形式添加了，以后我提出的网络模型基本上都会通过这种方式修改，我也会进行一些模型细节改进。创新出新的网络结构大家直接拿来用就可以的。下面开始添加教程->

(同时每一个后面都有代码，大家拿来复制粘贴替换即可，但是要看好了不要复制粘贴替换多了)

修改一

我们复制网络结构代码到“ultralytics/nn/modules”目录下创建一个py文件复制粘贴进去，我这里起的名字是FasterNet。

修改二

找到如下的文件"ultralytics/nn/tasks.py" 在开始的部分导入我们的模型如下图。

from .modules.FasterNet import FasterNet

修改三

添加如下两行代码！！！

修改四

找到七百多行大概把具体看图片，按照图片来修改就行，添加红框内的部分，注意没有()只是函数名，我这里只添加了部分的版本，大家有兴趣这个FasterNet还有更多的版本可以添加，这个需要按照官方的代码里面根据参数改配置就行了，后期我提供的文件里面会集成所有的版本。

        elif m in {自行添加对应的模型即可，下面都是一样的}:
            m = m()
            c2 = m.width_list  # 返回通道列表
            backbone = True

修改五

下面的两个红框内都是需要改动的。

        if isinstance(c2, list):
            m_ = m
            m_.backbone = True
        else:
            m_ = nn.Sequential(*(m(*args) for _ in range(n))) if n > 1 else m(*args)  # module
            t = str(m)[8:-2].replace('__main__.', '')  # module type


        m.np = sum(x.numel() for x in m_.parameters())  # number params
        m_.i, m_.f, m_.type = i + 4 if backbone else i, f, t  # attach index, 'from' index, type

修改六

如下的也需要修改，全部按照我的来。

代码如下把原先的代码替换了即可。

        if verbose:
            LOGGER.info(f'{i:>3}{str(f):>20}{n_:>3}{m.np:10.0f}  {t:<45}{str(args):<30}')  # print

        save.extend(x % (i + 4 if backbone else i) for x in ([f] if isinstance(f, int) else f) if x != -1)  # append to savelist
        layers.append(m_)
        if i == 0:
            ch = []
        if isinstance(c2, list):
            ch.extend(c2)
            if len(c2) != 5:
                ch.insert(0, 0)
        else:
            ch.append(c2)

修改七

修改七和前面的都不太一样，需要修改前向传播中的一个部分，已经离开了parse_model方法了。

可以在图片中开代码行数，没有离开task.py文件都是同一个文件。同时这个部分有好几个前向传播都很相似，大家不要看错了，是70多行左右的！！！，同时我后面提供了代码，大家直接复制粘贴即可，有时间我针对这里会出一个视频。

代码如下->

    def _predict_once(self, x, profile=False, visualize=False):
        """
        Perform a forward pass through the network.

        Args:
            x (torch.Tensor): The input tensor to the model.
            profile (bool):  Print the computation time of each layer if True, defaults to False.
            visualize (bool): Save the feature maps of the model if True, defaults to False.

        Returns:
            (torch.Tensor): The last output of the model.
        """
        y, dt = [], []  # outputs
        for m in self.model:
            if m.f != -1:  # if not from previous layer
                x = y[m.f] if isinstance(m.f, int) else [x if j == -1 else y[j] for j in m.f]  # from earlier layers
            if profile:
                self._profile_one_layer(m, x, dt)
            if hasattr(m, 'backbone'):
                x = m(x)
                if len(x) != 5: # 0 - 5
                    x.insert(0, None)
                for index, i in enumerate(x):
                    if index in self.save:
                        y.append(i)
                    else:
                        y.append(None)
                x = x[-1] # 最后一个输出传给下一层
            else:
                x = m(x)  # run
                y.append(x if m.i in self.save else None)  # save output
            if visualize:
                feature_visualization(x, m.type, m.i, save_dir=visualize)
        return x

到这里就完成了修改部分，但是这里面细节很多，大家千万要注意不要替换多余的代码，导致报错，也不要拉下任何一部，都会导致运行失败，而且报错很难排查！！！很难排查！！！

修改八

我们找到如下文件'ultralytics/utils/torch_utils.py'按照如下的图片进行修改，否则容易打印不出来计算量。

五、FasterNet的yaml文件

复制如下yaml文件进行运行！！！

# 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 GFLOP

# YOLOv8.0n backbone
backbone:
  # [from, repeats, module, args]
  - [-1, 1, FasterNet, []]  # 4
  - [-1, 1, SPPF, [1024, 5]]  # 5

# YOLOv8.0n head
head:
  - [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']] # 6
  - [[-1, 3], 1, Concat, [1]]  # 7 cat backbone P4
  - [-1, 3, C2f, [512]]  # 8

  - [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']] # 9
  - [[-1, 2], 1, Concat, [1]]  # 10 cat backbone P3
  - [-1, 3, C2f, [256]]  # 11 (P3/8-small)

  - [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]] # 12
  - [[-1, 8], 1, Concat, [1]]  # 13 cat head P4
  - [-1, 3, C2f, [512]]  # 14 (P4/16-medium)

  - [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]] # 15
  - [[-1, 5], 1, Concat, [1]]  # 16 cat head P5
  - [-1, 3, C2f, [1024]]  # 17 (P5/32-large)

  - [[11, 14, 17], 1, Detect, [nc]]  # Detect(P3, P4, P5)

六、成功运行记录

下面是成功运行的截图，已经完成了有1个epochs的训练，图片太大截不全第2个epochs了。

七、本文总结

到此本文的正式分享内容就结束了，在这里给大家推荐我的YOLOv8改进有效涨点专栏，本专栏目前为新开的平均质量分98分，后期我会根据各种最新的前沿顶会进行论文复现，也会对一些老的改进机制进行补充，目前本专栏免费阅读(暂时，大家尽早关注不迷路~)，如果大家觉得本文帮助到你了，订阅本专栏，关注后续更多的更新~