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編者薦語

如何把 anchor-free 模型移植到移動端或嵌入式設(shè)備？文章介紹的這個項目對單階段檢測模型三大模塊（Head、Neck、Backbone）進行輕量化，得到模型大小僅 1.8m、速度超快的輕量級模型 NanoDet-m。

轉(zhuǎn)載自 | 機器之心

目標檢測一直是計算機視覺領(lǐng)域的一大難題，其目標是找出圖像中的所有感興趣區(qū)域，并確定這些區(qū)域的位置和類別。目標檢測中的深度學(xué)習(xí)方法已經(jīng)發(fā)展了很多年，并出現(xiàn)了不同類型的檢測方法。

目前，深度學(xué)習(xí)目標檢測方法主要分為兩大類，分別是兩階段式和單階段式目標檢測算法。兩階段式目標檢測框架首先生成候選區(qū)域，然后將其分類成不同的目標類別，代表模型有 R-CNN、Fast R-CNN 等；單階段式目標檢測框架將目標檢測任務(wù)視為一個統(tǒng)一的端到端回歸問題，代表模型有 MultiBox、YOLO、SSD 等。這類框架通常結(jié)構(gòu)更簡單，檢測速度也更快。

深度學(xué)習(xí)目標檢測方法還可劃分為 Anchor-base 和 Anchor-free 兩大類，今年又出現(xiàn)了將 Transformer 用于目標檢測的嘗試，各種方法百花齊放。但是，在移動端目標檢測算法上，YOLO 系列和 SSD 等 Anchor-base 的模型一直占據(jù)主導(dǎo)地位。

近日，GitHub 上出現(xiàn)了一個項目 nanodet，它開源了一個移動端實時的 Anchor-free 檢測模型，希望能夠提供不亞于 YOLO 系列的性能，而且同樣方便訓(xùn)練和移植。該項目上線僅兩天，Star 量已經(jīng)超過 200。

項目地址：https://github.com/RangiLyu/nanodet

NanoDet 模型介紹

NanoDet 是一個速度超快和輕量級的移動端 Anchor-free 目標檢測模型。該模型具備以下優(yōu)勢：

超輕量級：模型文件大小僅 1.8m；
速度超快：在移動 ARM CPU 上的速度達到 97fps（10.23ms）；
訓(xùn)練友好：GPU 內(nèi)存成本比其他模型低得多。GTX1060 6G 上的 Batch-size 為 80 即可運行；
方便部署：提供了基于 ncnn 推理框架的 C++ 實現(xiàn)和 Android demo。

模型性能

目前開源的 NanoDet-m 模型在 320x320 輸入分辨率的情況下，整個模型的 Flops 只有 0.72B，而 yolov4-tiny 則有 6.96B，小了將近十倍。模型的參數(shù)量也只有 0.95M，權(quán)重文件在使用 ncnn optimize 進行 16 位存儲之后，只有 1.8mb。

盡管模型非常的輕量，但是它的性能不容小覷。在與其他模型進行比較時，項目作者選擇使用 COCO mAP (0.5:0.95) 作為評估指標，兼顧檢測和定位的精度，在 COCO val 5000 張圖片上測試，并且沒有使用 Testing-Time-Augmentation。在這種設(shè)置下，320 分辨率輸入能夠達到 20.6 的 mAP，比 tiny-yolov3 高 4 分，只比 yolov4-tiny 低 1 個百分點。在將輸入分辨率與 YOLO 保持一致，都使用 416 輸入的情況下，NanoDet 與 yolov4-tiny 得分持平。具體結(jié)果如下表所示：

以上性能基于 ncnn 和麒麟 980 (4xA76+4xA55) ARM CPU 獲得。

此外，項目作者將 ncnn 部署到手機（基于 ARM 架構(gòu)的 CPU 麒麟 980，4 個 A76 核心和 4 個 A55 核心）上之后跑了一下 benchmark，模型前向計算時間只要 10 毫秒左右，而 yolov3 和 v4 tiny 均在 30 毫秒的量級。在安卓攝像頭 demo app 上，算上圖片預(yù)處理、檢測框后處理以及繪制檢測框的時間，NanoDet 也能輕松跑到 40+FPS。

NanoDet 和 yolov4-tiny 的性能對比。

最后，該項目提供了 Android demo、C++ demo 和 Python demo。NanoDet 在安卓端的目標檢測結(jié)果如下所示：

NanoDet 方法

NanoDet 是一種 FCOS 式的單階段 anchor-free 目標檢測模型，它使用 ATSS 進行目標采樣，使用 Generalized Focal Loss 損失函數(shù)執(zhí)行分類和邊框回歸（box regression）。

據(jù)項目作者介紹，該項目的主要目的是希望開源一個移動端實時的 Anchor-free 檢測模型，能夠提供不亞于 YOLO 系列的性能，并且方便訓(xùn)練和移植。為此，他參考了以下研究：

最終得到的 NanoDet 模型架構(gòu)如下：

損失函數(shù)

項目作者想要實現(xiàn)一個 FCOS 式的 anchor-free 目標檢測模型，但將 FCOS 輕量化處理時，由于 FCOS 的 centerness 分支在輕量級的模型上很難收斂，模型效果不如預(yù)期。

最終，NanoDet 使用了李翔等人提出的 Generalized Focal Loss 損失函數(shù)。該函數(shù)能夠去掉 FCOS 的 Centerness 分支，省去這一分支上的大量卷積，從而減少檢測頭的計算開銷，非常適合移動端的輕量化部署。

圖源：https://arxiv.org/pdf/2006.04388.pdf

檢測頭輕量化

找到合適的損失函數(shù)后，如何使其在輕量級模型上發(fā)揮作用呢？

首先需要優(yōu)化的是檢測頭。

FCOS 系列使用了共享權(quán)重的檢測頭，即對 FPN 出來的多尺度 Feature Map 使用同一組卷積預(yù)測檢測框，然后每一層使用一個可學(xué)習(xí)的 Scale 值作為系數(shù)，對預(yù)測出來的框進行縮放。

圖源：https://openaccess.thecvf.com/content_ICCV_2019/papers/Tian_FCOS_Fully_Convolutional_One-Stage_Object_Detection_ICCV_2019_paper.pdf

這么做的好處是能夠?qū)z測頭的參數(shù)量降低為不共享權(quán)重狀態(tài)下的 1/5。這對于光是檢測頭就擁有數(shù)百通道卷積的大模型來說非常有用，但是對于輕量化模型來說，共享權(quán)重檢測頭并沒有很大的意義。由于移動端模型推理由 CPU 執(zhí)行計算，共享權(quán)重并不會帶來推理過程的加速，而且在檢測頭非常輕量的情況下，共享權(quán)重使其檢測能力進一步下降，因此項目作者認為選擇對每一層特征使用一組卷積比較合適。

同時，F(xiàn)COS 系列在檢測頭上使用了 Group Normalization（GN）作為歸一化方式，GN 對比 BN（Batch Normalization）有很多好處，但是卻有一個缺點：BN 在推理時能夠?qū)⑵錃w一化的參數(shù)直接融合進卷積中，可以省去這一步計算，而 GN 則不行。為了能夠節(jié)省歸一化操作的時間，項目作者選擇將 GN 替換為 BN。

FCOS 的檢測頭使用了 4 個 256 通道的卷積作為一個分支，也就是說在邊框回歸和分類兩個分支上一共有 8 個 c=256 的卷積，計算量非常大。為了將其輕量化，項目作者首先選擇用深度可分離卷積替換普通卷積，并且將卷積堆疊的數(shù)量從 4 個減少為 2 組。在通道數(shù)上，將 256 維壓縮至 96 維，之所以選擇 96，是因為需要將通道數(shù)保持為 8 或 16 的倍數(shù)，能夠享受到大部分推理框架的并行加速。

最后，項目作者借鑒了 YOLO 系列的做法，將邊框回歸和分類使用同一組卷積進行計算，然后 split 成兩份。最終得到的輕量化檢測頭如下圖所示：

FPN 層改進

目前針對 FPN 的改進有許多，如 EfficientDet 使用了 BiFPN，YOLO v4 和 v5 使用了 PAN，除此之外還有 BalancedFPN 等等。BiFPN 雖然性能強大，但是堆疊的特征融合操作會導(dǎo)致運行速度降低，而 PAN 只有自上而下和自下而上兩條通路，非常簡潔，是輕量級模型特征融合的好選擇。

原版的 PAN 和 YOLO 系列中的 PAN 都使用了 stride=2 的卷積進行大尺度 Feature Map 到小尺度的縮放。而該項目出于輕量化的考慮，選擇完全去掉 PAN 中的所有卷積，只保留從骨干網(wǎng)絡(luò)特征提取后的 1x1 卷積來進行特征通道維度的對齊，上采樣和下采樣均使用插值來完成。與 YOLO 使用的 concatenate 操作不同，項目作者選擇將多尺度的 Feature Map 直接相加，使整個特征融合模塊的計算量變得非常小。

最終得到的極小版 PAN 結(jié)構(gòu)非常簡單：

NanoDet 使用的超輕量 PAN（圖源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/306530300）

骨干網(wǎng)絡(luò)

項目作者選擇使用 ShuffleNetV2 1.0x 作為骨干網(wǎng)絡(luò)，他去掉了該網(wǎng)絡(luò)的最后一層卷積，并且抽取 8、16、32 倍下采樣的特征輸入到 PAN 中做多尺度的特征融合。整個骨干模型使用了 Torchvision 提供的代碼，能夠直接加載 Torchvision 上提供的 imagenet 預(yù)訓(xùn)練權(quán)重，對加快模型收斂起到很大幫助。

目前，項目作者已將 Pytorch 訓(xùn)練代碼、基于 NCNN 的 Linux 和 Windows C++ 部署代碼以及 Android 攝像頭 Demo 全部開源，并在 Readme 中提供了詳細教程，參見項目 GitHub 主頁。

知乎鏈接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/306530300

END

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