SOTA！目标检测开源框架YOLOv6 3.0版本来啦

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2023年3月6日16:45:42评论37 views字数 5037阅读16分47秒阅读模式

SOTA！目标检测开源框架YOLOv6 3.0版本来啦

总第554篇

2023年 第006篇

SOTA！目标检测开源框架YOLOv6 3.0版本来啦

近日，美团视觉智能部发布了 YOLOv6 3.0 版本，再一次将目标检测的综合性能推向新高。YOLOv6-L6 检测精度和速度超越 YOLOv7-E6E，取得当前实时目标检测榜单 SOTA。本文主要介绍了 YOLOv6 3.0 版本中引入的技术创新和优化，希望能为从事相关工作的同学带来一些启发或帮助。

  • 1. 概述

  • 2. 关键技术介绍

    • 2.1 表征能力更强的 RepBi-PAN Neck 网络

    • 2.2 全新的锚点辅助训练（Anchor-Aided Training）策略

    • 2.3 无痛涨点的 DLD 解耦定位蒸馏策略

  • 3. 总结


 1. 概述 

1 月 6 日，美团视觉智能部发布了 YOLOv6 3.0 版本，再一次将目标检测的综合性能推向新高。本次更新除了对 YOLOv6-N/S/M/L 模型进行全系列升级之外，还推出了大分辨率 P6 模型。其中，YOLOv6-L6 检测精度达到 57.2% AP，在 T4 卡上推理速度可达 29 FPS，超越 YOLOv7-E6E，取得当前实时目标检测榜单 SOTA。
技术报告：YOLOv6 v3.0: A Full-Scale Reloading
YOLOv6 Github 传送门：https://github.com/meituan/YOLOv6，欢迎 Star 收藏，随时取用。
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图1 YOLOv6 各尺寸模型与其他 YOLO 系列框架的性能对比图
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表1 YOLOv6 各尺寸模型与其他 YOLO 系列框架的性能对比结果
注：YOLOv6 系列模型均在训练 300epoch 且不使用预训练模型或额外检测数据集下获得，“‡” 表示采用了自蒸馏算法，“＊” 表示从官方代码库对发布模型进行重新测评的指标。以上速度指标均在 T4 TRT7.2 环境下测试。

 2. 关键技术介绍 

本次更新主要在 Neck 网络设计、训练和蒸馏策略等方面进行了创新和优化：
  • 设计了表征能力更强的可重参化双向融合 PAN（
    RepBi-PAN
    ）Neck 网络；
  • 提出了全新的锚点辅助训练（
    Anchor-Aided Training
    ）策略；
  • 提出了解耦定位蒸馏（
    Decoupled Location Distillation
    ）策略以提升小模型的性能。

2.1 表征能力更强的 RepBi-PAN Neck 网络

有效的多尺度特征融合网络对目标检测的效果尤为关键。特征金字塔网络 （FPN）通过自上而下的路径来融合来自骨干网络不同 Stage 的输出特征以弥补网络学习过程中目标位置信息的损失。鉴于单向信息流传输的局限性，PANet 在 FPN 之上添加了一个额外的自底向上路径。BiFPN 为不同的输入特征引入了可学习的权重，并简化了 PAN 以实现更好的性能和更高的效率。PRB-FPN 通过具有双向融合的并行残差 FPN 结构来保留高质量的特征，以进行准确定位。
受到上述工作的启发，我们提出了一个表征能力更强的可重参化双向融合 PAN（RepBi-PAN）Neck 网络。一般而言，骨干网络浅层特征分辨率高，具有丰富的空间信息，有利于目标检测中的定位任务。为了聚合浅层特征，常见的做法是在 FPN 中增加 P2 融合层以及一个额外的检测头，但这往往会带来较大的计算成本。
为了实现更好的精度和时延权衡，我们设计了一个双向联结（Birectional Concatenate,  BiC）模块，在自上而下的传输路径中引入自底向上的信息流，使得浅层特征能以更高效的方式参与多尺度特征融合，进一步增强融合特征的表达能力。此模块能够帮助保留更准确的定位信号，这对于小物体的定位具有重要意义。
此外，我们对上一版本的 SimSPPF 模块进行了特征增强优化，以丰富特征图的表示能力。我们发现 YOLOv7 使用的 SPPCSPC 模块能够提升检测精度，但对网络推理速度的影响较大。于是我们对其进行了简化设计，在检测精度影响不大的情况下，大大提升了推理效率。同时，我们引入了可重参数化思想并对 Neck 网络的通道宽度和深度进行了相应的调整。最终 RepBi-PAN 网络结构如下图 2 所示：
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图2 RepBi-PAN 网络结构图
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表2 BiC 模块消融实验结果
从表2可以看到，在 YOLOv6-S/L 模型上，仅在 PAN 网络自上而下的传输路径引入 BiC 模块后，对推理速度影响保持在 4% 的情况下，检测精度分别提升 0.6% 和 0.4% AP。当我们尝试额外地在自底向上的信息流中将常规联结替换成 BiC 模块时，反而没有获得进一步正向的增益，因此我们仅在自上而下的路径中应用 BiC 模块。与此同时，我们还注意到，BiC 模块能够为小目标的检测精度带来 1.8% AP 的提升。
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表3 不同的 SPP 模块对模型精度和速度的对比结果
在表 3 中，我们对不同的 SPP 模块对模型精度和速度影响做了实验对比，其中包括经过我们简化设计的 SPPF、SPPCSPC 和 CSPSPPF 模块。除此之外，我们还尝试了在骨干网络 C3、C4 和 C5 的输出特征后分别采用了 SimSPPF 模块以加强特征的聚合表达，在表中用 SimSPPF * 3表示。从实验结果来看，重复使用 SimSPPF 模块虽然增加了计算量，但并没有带来检测精度的进一步提升。
经简化设计的 SPPCSPC 模块对比 SimSPPF 模块 在 YOLOv6-N/S 模型上分别提升了 1.6% 和 0.3% AP，但对推理速度 FPS 降低约10%。而当我们将 SimSPPF 模块替换为优化后的 SimCSPSPPF 模块后，在 YOLOv6-N/S/M 模型上分别取得了1.1%/0.4%/0.1% 的精度增益，同时推理速度对比 SimSPPCSPC 模块有较大的提升。因此，为了更好的精度-效率权衡，在 YOLOv6-N/S 上采用 SimCSPSPPF 模块，而在 YOLOv6-M/L 上采用 SimSPPF 模块。

2.2 全新的锚点辅助训练（Anchor-Aided Training）策略

基于深度学习的目标检测技术从学习范式上主要可分为 Anchor-based 和 Anchor-free 两大类，这两类方法针对不同尺度的目标检测上分别存在不同的优势。我们使用 YOLOv6-N 作为基线，对 Anchor-based 和 Anchor-free 范式的异同点进行了相关的实验和分析。
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表4 YOLOv6-N 上 Anchor-free 和 Anchor-based 比较
从表 4 中可以看出，当 YOLOv6-N 分别采用 Anchor-based 和 Anchor-free 训练范式时，模型的整体 mAP 几乎接近，但采用 Anchor-based 的模型在小、中、大目标上的 AP 指标会更高。从以上的实验可以得出结论：相比于 Anchor-free 范式，基于 Anchor-based 的模型存在额外的性能增益。
同时我们发现，YOLOv6 使用 TAL 进行标签分配时，其模型精度的稳定性与是否采用 ATSS 预热有较大关系。当不使用 ATSS 预热时，对同样参数配置的 YOLOv6-N 进行多次训练，模型精度最高可达35.9% mAP，最低至 35.3% mAP，相同模型会有 0.6% mAP 的差异。但当使用 ATSS 预热时，模型精度最高却只能到达 35.7% mAP。从实验结果可以分析得出，ATSS 的预热过程利用了 Anchor-based 的预设信息，进而达到稳定模型训练的目的，但也会在一定程度上限制网络的峰值能力，因此并不是一种最优的选择。
受到上述工作的启发，我们提出了基于锚点辅助训练（Anchor-Aided Training，AAT）策略。在网络训练过程中，同时融合 Anchor-based 和 Anchor-free 的两种训练范式，并对全阶段网络进行映射及优化，最终实现了Anchor 的统一，充分发挥了结合不同 Anchor 网络的各自优势，从而进一步提升了模型检测精度。具体来说：

一方面，我们会在网络的分类头和回归头上分别添加 Anchor-based 辅助分支，在训练阶段，该分支与 Anchor-free 分支分别进行独立的 Loss 计算，之后会对 Loss 进行相加，各自反向传播进行网络的优化。通过 Anchor-based 辅助分支，为网络训练引入额外的内嵌指导信息，并与 Anchor-free 分支的信息进行整合，从而达到对结合不同 Anchor 网络的全方位融合的目的，进一步挖掘网络自身的潜力，充分发挥其效能。

另一方面，在网络标签匹配的过程中引入了同特征点密集采样的机制。通过扩大每次样本匹配过程中所选取候选框的范围，增加候选框中正样本的数量，并且对同一特征点重复投放采样点，进一步提升在训练过程中候选框的质量。与此同时，在网络的每一层中还会搭配原始的 Anchor-free 分支，进一步提升候选框的多样性。

除此之外，我们还提出灵活配置的训练策略，仅在训练过程中引入额外的辅助分支，在测试过程中不予使用。最终在不增加推理时间的情况下，提升网络精度，无痛涨点。最终 AAT 策略的示意图如下图 3 所示：
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图3 AAT 训练策略示意图
采用 AAT 训练策略的消融实验结果如下表 5 所示。我们在 YOLOv6 的各尺寸模型上进行了实验，其中 YOLOv6-S 模型采用 AAT 策略后有 0.3% 的精度增益，而在 YOLOv6-M/L 模型上分别带来了0.5% 的精度增益。值得注意的是，YOLOv6-N/S/M 在小目标检测的精度指标得到了显着增强。
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表5 AAT 消融实验结果

2.3 无痛涨点的 DLD 解耦定位蒸馏策略

在目标检测的蒸馏任务中，LD 通过引入 DFL 分支，从而达到了在网络中对定位信息蒸馏的目的，使分类和定位信息得以同步回传，弥补了 Logit Mimicking 方法无法使用定位蒸馏信息的不足。但是，DFL 分支的添加，对于小模型速度的影响是很明显的。添加了 DFL 分支后，YOLOv6-N 的速度下降了 16.7%，YOLOv6-S 的速度下降了 5.2%。而在实际的工业应用当中，对于小模型速度的要求往往很高。因此，目前的蒸馏策略并不适合于工业落地。
针对这个问题，我们提出了基于解耦检测任务和蒸馏任务的 DLD（Decoupled Location Distillation）算法。DLD 算法会在网络每一层的回归头上分别添加了额外的强化回归分支，在训练阶段，该分支同样会参与 IoU 损失的计算，并将其累加到最终的 Loss 中。
通过增加的额外的强化回归分支，可以对网络添加更多的额外约束，从而对网络进行更全面细致的优化。并且，DLD算法在对强化回归分支进行训练时，引入了分支蒸馏学习策略。分支蒸馏学习策略会仅使用 DFL 分支参与网络标签分配的过程，并将标签分配的结果投入到强化回归分支进行引导学习，从而参与强化回归分支的损失函数计算和反向传播优化。
一方面，DFL 分支的精度更高，在整个训练周期可以起到对强化分支蒸馏的作用，进一步提升强化分支的精度。
另一方面，通过分支蒸馏进行的引导学习，可以进一步将 DFL 分支的效果传递给强化回归分支，为之后的灵活配置起到铺垫作用。
除此之外，DLD 算法同样搭配了灵活配置的训练策略，在训练过程中采用双回归分支结构，对网络进行更全面细致的优化，进一步对齐双分支的回归能力。在测试过程中，移除掉冗余的 DFL 分支，仅保留强化回归分支，在简化网络的同时保持网络精度，最终实现了对目标检测算法可无痛涨点的 DLD 蒸馏算法。DLD 的消融实验结果如下表6所示：
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表6 DLD 在 YOLOv6-S 上的消融实验结果
在表 6 中，我们在 YOLOv6-S 模型上分别对比了训练双倍轮数和采用 DLD 策略对模型性能的影响，从实验数据可以看出，当训练 600epoch时，YOLOv6-S 仅能达到 44.6% mAP。而采用 DLD 蒸馏策略后，YOLOv6-S 检测精度比使用双倍轮数训练的高 0.5%，最终达到45.1%。由此可得，DLD 蒸馏策略可在不影响推理效率的前提下，提升小模型的检测精度，实现无痛涨点。

3. 总结 

本文对 YOLOv6 3.0 版本的技术创新和优化进行了详细解析，希望能帮助用户理解相关算法设计的思路以及具体实现。
未来，我们还会持续完善 YOLOv6 社区生态，同时也欢迎社区同学加入我们，共同建设一个适合工业界应用的更快更准的目标检测框架。
再次附上 YOLOv6 Github 的传送门：https://github.com/meituan/YOLOv6 ，感谢您的 Star 收藏。

 4. 本文作者 

  • 楚怡、奕非、露露等，均来自美团视觉智能部。


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原文始发于微信公众号（美团技术团队）：SOTA！目标检测开源框架YOLOv6 3.0版本来啦

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  • 本文由 发表于 2023年3月6日16:45:42
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