深度解析YOLOv7的网络结构
描述
最近，
Scaled-YOLOv4的作者（也是后来的YOLOR的作者）和YOLOv4的作者AB大佬再次联手推出了YOLOv7，目前来看，这一版的YOLOv7是一个比较正统的YOLO续作，毕竟有AB大佬在，得到了过YOLO原作的认可。
网上已经有了很多文章去从各个方面来测试YOLOv7，但关于YOLOv7到底长什么样，似乎还没有多少人做出介绍。由于YOLOv7再一次平衡好了参数量、计算量和性能之间的矛盾，所以，笔者也想尝试YOLOv7的网络结构来削减模型的大小，因此，通过查看YOLOv7的config文件，勾勒出了YOLOv7的网络结构，故而新开此章，斗胆将v7的网络结构介绍给各位读者。请注意，本文只介绍YOLOv7的网络结构，其余的技术点如Aux Head是不会涉及到。这一部分，笔者放在了自己的github上，链接如下，笔者暂且将YOLOv7的backbone命名为ELAN-Net。
https://github.com/yjh0410/image_classification_pytorch
一、YOLOv7的backbone结构
我们可以打开官方源码中的yolov7.yaml文件，看到如图1所示的网络配置。YOLOv7的项目是继承自YOLOv5，事实上，YOLOv7的第一作者为YOLO社区做的贡献，如Pytorch_YOLOv4、caled-YOLOv4、YOLOR等都沿用了YOLOv5的项目，很多超参几乎就是拿来用了，包括这次的YOLOv7，毕竟YOLOv5项目久经考验，是很适合在它的基础上做改进，省去了调参的麻烦。另外，在上图中，我们还能看见anchor box，尽管YOLOv7采用的label assignment使用的是SimOTA，但bbox regression还是基于anchor box的，往往在实际任务中，使用anchor box等人工先验会对实际任务带来些好处。
图1. YOLOv7的网络配置这里，我们主要看backbone的部分，熟悉YOLOv5的读者应该不难理解这种写法，我们顺着该配置即可勾勒出YOLOv7的backbone。我们详细地来说一下，笔者会配合由笔者自己写的pytorch代码来帮助读者理解。毕竟，官方代码的可读性实在是一言难尽。
首先，是最开始的stem层，如图2所示，就是简单地堆叠三层Conv卷积，每个Conv就是YOLOv5采用的标准的“卷积+BN+SiLU”三件套。相应的代码也展示在了下方，笔者将该层命名为“layer1”，输出一个二倍降采样的特征图：
图2. Backbone是Stem层
# ELANNet of YOLOv7
class ELANNet(nn.Module):
"""
ELAN-Net of YOLOv7.
"""
def __init__(self, depthwise=False, num_classes=1000):
super(ELANNet, self).__init__()
self.layer_1 = nn.Sequential(
Conv(3, 32, k=3, p=1, depthwise=depthwise),
Conv(32, 64, k=3, p=1, s=2, depthwise=depthwise),
Conv(64, 64, k=3, p=1, depthwise=depthwise)
)
接下来，YOLOv7再用一层步长为2的卷积得到4倍降采样图，然后接了一连串卷积处理这个4被降采样特征图，而这些“一连串”的卷积便是就是YOLOv7论文中介绍的ELAN模块了，官方给出的配置如下所示，我们可以对应着论文原图来一起看：
图3. YOLOv7的ELAN模块结构
按照上面的结构，我们便可以绘制出YOLOv7的核心模块：ELAN的具体网络结构了，相应的代码也展示在了下方。请注意，ELAN的这种结构的一个优势就是每个branch的操作中，输入通道都是和输出通道保持一致的，仅仅是最开始的两个1x1卷积是有通道变化的。关于输入输出通道相等的优势，这一点早在shufflenet-v2中就已经论证过了，是一条设计网络的高效准则之一。
class ELANBlock(nn.Module):
"""
ELAN BLock of YOLOv7's backbone
"""
def __init__(self, in_dim, out_dim, expand_ratio=0.5, depthwise=False):
super(ELANBlock, self).__init__()
inter_dim = int(in_dim * expand_ratio)
self.cv1 = Conv(in_dim, inter_dim, k=1)
self.cv2 = Conv(in_dim, inter_dim, k=1)
self.cv3 = nn.Sequential(
Conv(inter_dim, inter_dim, k=3, p=1, depthwise=depthwise),
Conv(inter_dim, inter_dim, k=3, p=1, depthwise=depthwise)
)
self.cv4 = nn.Sequential(
Conv(inter_dim, inter_dim, k=3, p=1, depthwise=depthwise),
Conv(inter_dim, inter_dim, k=3, p=1, depthwise=depthwise)
)
assert inter_dim*4 == out_dim
self.out = Conv(inter_dim*4, out_dim, k=1)
def forward(self, x):
"""
Input:
x: [B, C, H, W]
Output:
out: [B, 2C, H, W]
"""
x1 = self.cv1(x)
x2 = self.cv2(x)
x3 = self.cv3(x2)
x4 = self.cv4(x3)
# [B, C, H, W] -> [B, 2C, H, W]
out = self.out(torch.cat([x1, x2, x3, x4], dim=1))
return out
图4. YOLOv7的ELAN模块结构不过，笔者好奇能不能直接拆分通道，一分为二呢？最开始的CSPNet就是这么干的，不过，到了YOLO这里，就换成了1x1卷积来压缩。最后，ELAN模块输出的通道数是输入的2倍。
于是，网络的第二层也就搭建出来了，第二层输出的就是4倍降采样的特征图了，如下方的代码所示：
self.layer_2 = nn.Sequential(
Conv(64, 128, k=3, p=1, s=2, depthwise=depthwise),
ELANBlock(in_dim=128, out_dim=256, expand_ratio=0.5, depthwise=depthwise)
)
接下来，YOLOv7对该4倍降采样的特征图再进行降采样操作，不过，不同于以往的步长为2的卷积那么简单，YOLOv7这里稍微设计得精细了一些，如下图中的红框部分所示，左边的分支主要采用maxpooling（MP）来实现空间降采样，并紧跟一个1x1卷积压缩通道；右边先用1x1卷积压缩通道，然后再用步长为2的3x3卷积完成降采样，最后，将两个分支的结果合并，通道一个通道数等于输入通道数，但空间分辨率缩小2倍的特征图。笔者暂且将其命名为“DownSample”层。相应代码已展示在下方。
图5. YOLOv7的降采样模块
def __init__(self, in_dim):
super().__init__()
inter_dim = in_dim // 2
self.mp = nn.MaxPool2d((2, 2), 2)
self.cv1 = Conv(in_dim, inter_dim, k=1)
self.cv2 = nn.Sequential(
Conv(in_dim, inter_dim, k=1),
Conv(inter_dim, inter_dim, k=3, p=1, s=2)
)
def forward(self, x):
"""
Input:
x: [B, C, H, W]
Output:
out: [B, C, H//2, W//2]
"""
# [B, C, H, W] -> [B, C//2, H//2, W//2]
x1 = self.cv1(self.mp(x))
x2 = self.cv2(x)
# [B, C, H//2, W//2]
out = torch.cat([x1, x2], dim=1)
return out
随后，绿框部分就是上面已经介绍过的ELAN模块，对被降采样的特征图进行处理。自此往后，就是重复堆叠这两块，直到最后。那么，backbone的整体我们就全部了解了，整个backbone的代码如下：
# ELANNet of YOLOv7
class ELANNet(nn.Module):
"""
ELAN-Net of YOLOv7.
"""
def __init__(self, depthwise=False, num_classes=1000):
super(ELANNet, self).__init__()
self.layer_1 = nn.Sequential(
Conv(3, 32, k=3, p=1, depthwise=depthwise),
Conv(32, 64, k=3, p=1, s=2, depthwise=depthwise),
Conv(64, 64, k=3, p=1, depthwise=depthwise) # P1/2
)
self.layer_2 = nn.Sequential(
Conv(64, 128, k=3, p=1, s=2, depthwise=depthwise),
ELANBlock(in_dim=128, out_dim=256, expand_ratio=0.5, depthwise=depthwise) # P2/4
)
self.layer_3 = nn.Sequential(
DownSample(in_dim=256),
ELANBlock(in_dim=256, out_dim=512, expand_ratio=0.5, depthwise=depthwise) # P3/8
)
self.layer_4 = nn.Sequential(
DownSample(in_dim=512),
ELANBlock(in_dim=512, out_dim=1024, expand_ratio=0.5, depthwise=depthwise) # P4/16
)
self.layer_5 = nn.Sequential(
DownSample(in_dim=1024),
ELANBlock(in_dim=1024, out_dim=1024, expand_ratio=0.25, depthwise=depthwise) # P5/32
)
self.avgpool = nn.AdaptiveAvgPool2d((1, 1))
self.fc = nn.Linear(1024, num_classes)
def forward(self, x):
x = self.layer_1(x)
x = self.layer_2(x)
x = self.layer_3(x)
x = self.layer_4(x)
x = self.layer_5(x)
# [B, C, H, W] -> [B, C, 1, 1]
x = self.avgpool(x)
# [B, C, 1, 1] -> [B, C]
x = x.flatten(1)
x = self.fc(x)
return x
当然，以上代码中的avgpool和fc两个层请忽略，在检测任务里我们是不需要这两部分的。这里需要说一下的是layer5，按照前面几层的配置，layer5应该顺其自然地输出一个通道数为2048的32倍降采样的图，但这样似乎会引来过多的计算量，YOLOv7就将其通道数还是控制在了1024。所以，C3、C4和C5的通道数就分别是512、1024和1024，不再是以往常见的256、512、1024了。Backbone的整体结构展示在了图6中。
图6. YOLOv7的Backbone网络结构
由于整个YOLOv7是采用了train from scratch策略，超参沿用久经考验的YOLOv5的，所以，backbone这一部门是没有imagenet pre-trained的。不过，笔者在搭建了这个backbone后，在ImageNet上进行了预训练，感兴趣的读者可以笔者提供的github的README中获得预训练模型的下载链接。
二、YOLOv7的PaFPN结构
接下来，我们介绍一下YOLOv7的FPN结构。和之前的YOLOv4、YOLOv5一样，YOLOv7仍采用PaFPN结构。有了之前backbone的经验，这一部分也就容易多了，我们先看一下官方给出的配置文件，如下图所示：
图7. YOLOv7的Head结构
首先，对于backbone最后输出的32倍降采样特征图C5，我们先使用SPP处理一下。这部分的SPP是由Scaled-YOLOv4提出的SPP-CSP，在YOLOv5中已经被用到了，没有变化。经过SPP的处理后，C5的通道数从1024缩减到512。随后的过程和YOLOv5是一样的，依循top down的路线，先后和C4、C3去融合，得到P3、P4和P5；再按照bottom-up的路线，再去和P4、P5做融合。唯一与YOLOv5不同的地方就是原先YOLOv5使用的BottleneckCSP被换成了YOLOv7的ELAN模块。原先YOLOv5所使用的步长为2的下采样卷积也换成了上面的YOLOv7设计的DownSample层。不过，Head中的ELAN和DownSample两部分与Backbone中的这两块有些细微差别，具体结构下面的两图所示。相应的代码笔者也给出了。
图8. Head中的ELAN结构图
图9. Head中的DownSample结构图
class ELANBlock(nn.Module):
"""
ELAN BLock of YOLOv7's head
"""
def __init__(self, in_dim, out_dim, expand_ratio=0.5, depthwise=False, act_type='silu', norm_type='BN'):
super(ELANBlock, self).__init__()
inter_dim = int(in_dim * expand_ratio)
inter_dim2 = int(inter_dim * expand_ratio)
self.cv1 = Conv(in_dim, inter_dim, k=1, act_type=act_type, norm_type=norm_type)
self.cv2 = Conv(in_dim, inter_dim, k=1, act_type=act_type, norm_type=norm_type)
self.cv3 = Conv(inter_dim, inter_dim2, k=3, p=1, act_type=act_type, norm_type=norm_type, depthwise=depthwise)
self.cv4 = Conv(inter_dim2, inter_dim2, k=3, p=1, act_type=act_type, norm_type=norm_type, depthwise=depthwise)
self.cv5 = Conv(inter_dim2, inter_dim2, k=3, p=1, act_type=act_type, norm_type=norm_type, depthwise=depthwise)
self.cv6 = Conv(inter_dim2, inter_dim2, k=3, p=1, act_type=act_type, norm_type=norm_type, depthwise=depthwise)
self.out = Conv(inter_dim*2+inter_dim2*4, out_dim, k=1)
def forward(self, x):
"""
Input:
x: [B, C_in, H, W]
Output:
out: [B, C_out, H, W]
"""
x1 = self.cv1(x)
x2 = self.cv2(x)
x3 = self.cv3(x2)
x4 = self.cv4(x3)
x5 = self.cv5(x4)
x6 = self.cv6(x5)
# [B, C_in, H, W] -> [B, C_out, H, W]
out = self.out(torch.cat([x1, x2, x3, x4, x5, x6], dim=1))
return out
class DownSample(nn.Module):
def __init__(self, in_dim, depthwise=False, act_type='silu', norm_type='BN'):
super().__init__()
inter_dim = in_dim
self.mp = nn.MaxPool2d((2, 2), 2)
self.cv1 = Conv(in_dim, inter_dim, k=1, act_type=act_type, norm_type=norm_type)
self.cv2 = nn.Sequential(
Conv(in_dim, inter_dim, k=1, act_type=act_type, norm_type=norm_type),
Conv(inter_dim, inter_dim, k=3, p=1, s=2, act_type=act_type, norm_type=norm_type, depthwise=depthwise)
)
def forward(self, x):
"""
Input:
x: [B, C, H, W]
Output:
out: [B, 2C, H//2, W//2]
"""
# [B, C, H, W] -> [B, C//2, H//2, W//2]
x1 = self.cv1(self.mp(x))
x2 = self.cv2(x)
# [B, C, H//2, W//2]
out = torch.cat([x1, x2], dim=1)
return out
整个PaFPN的融合过程如下图所示，笔者在途中标记出了通道的变化，在PaFPN的最后，YOLOv7使用了两层RepConv去调整最终输出的P3、P4和P5的通道数。在最后，YOLOv7还是一如既往地使用三层1x1卷积去预测objectness、class和bbox三部分。注意，YOLOv7还是一如既往地采用coupled head，而非YOLOX中的decoupled head。因为decoupled head会带来过多的参数量和计算量，性能提升很微小，性价比不高。Head部分的代码，笔者也在下方给出了，感兴趣的读者可以查看。
图10. YOLOv7的Head结构图
# PaFPN-ELAN (YOLOv7's)
class PaFPNELAN(nn.Module):
def __init__(self,
in_dims=[256, 512, 512],
out_dim=[256, 512, 1024],
depthwise=False,
norm_type='BN',
act_type='silu'):
super(PaFPNELAN, self).__init__()
self.in_dims = in_dims
self.out_dim = out_dim
c3, c4, c5 = in_dims
# top dwon
## P5 -> P4
self.cv1 = Conv(c5, 256, k=1, norm_type=norm_type, act_type=act_type)
self.cv2 = Conv(c4, 256, k=1, norm_type=norm_type, act_type=act_type)
self.head_elan_1 = ELANBlock(in_dim=256 + 256,
out_dim=256,
depthwise=depthwise,
norm_type=norm_type,
act_type=act_type)
# P4 -> P3
self.cv3 = Conv(256, 128, k=1, norm_type=norm_type, act_type=act_type)
self.cv4 = Conv(c3, 128, k=1, norm_type=norm_type, act_type=act_type)
self.head_elan_2 = ELANBlock(in_dim=128 + 128,
out_dim=128, # 128
depthwise=depthwise,
norm_type=norm_type,
act_type=act_type)
# bottom up
# P3 -> P4
self.mp1 = DownSample(128, act_type=act_type, norm_type=norm_type, depthwise=depthwise)
self.head_elan_3 = ELANBlock(in_dim=256 + 256,
out_dim=256, # 256
depthwise=depthwise,
norm_type=norm_type,
act_type=act_type)
# P4 -> P5
self.mp2 = DownSample(256, act_type=act_type, norm_type=norm_type, depthwise=depthwise)
self.head_elan_4 = ELANBlock(in_dim=512 + 512,
out_dim=512, # 512
depthwise=depthwise,
norm_type=norm_type,
act_type=act_type)
# RepConv
self.repconv_1 = RepConv(128, out_dim[0], k=3, s=1, p=1)
self.repconv_2 = RepConv(256, out_dim[1], k=3, s=1, p=1)
self.repconv_3 = RepConv(512, out_dim[2], k=3, s=1, p=1)
def forward(self, features):
c3, c4, c5 = features
# Top down
## P5 -> P4
c6 = self.cv1(c5)
c7 = F.interpolate(c6, scale_factor=2.0)
c8 = torch.cat([c7, self.cv2(c4)], dim=1)
c9 = self.head_elan_1(c8)
## P4 -> P3
c10 = self.cv3(c9)
c11 = F.interpolate(c10, scale_factor=2.0)
c12 = torch.cat([c11, self.cv4(c3)], dim=1)
c13 = self.head_elan_2(c12)
# Bottom up
# p3 -> P4
c14 = self.mp1(c13)
c15 = torch.cat([c14, c9], dim=1)
c16 = self.head_elan_3(c15)
# P4 -> P5
c17 = self.mp2(c16)
c18 = torch.cat([c17, c5], dim=1)
c19 = self.head_elan_4(c18)
# RepCpnv
c20 = self.repconv_1(c13)
c21 = self.repconv_2(c16)
c22 = self.repconv_3(c19)
out_feats = [c20, c21, c22] # [P3, P4, P5]
return out_feats
三、结束语
那么，至此，YOLOv7的网络结构就全部绘制出了，本文的目的也达到了。当然，YOLOv7还有E-ELAN结构，这一点，笔者暂且不做介绍了，有了相关基础，相信读者们也不难自行分析YOLOv7的其他网络结构。对于YOLOv7的其他技术点，如Aux Head、RepConv的设计、YOLOR中的隐性知识（Implicit knowledge）等，笔者就不做介绍了。
最后，感谢各位读者的支持。对于YOLOv7的网络结构，读者有任何问题都可以在评论区留言，仅凭笔者的一己之见，不免会落入某种独断与偏见之中。
审核编辑：汤梓红
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