主干网络篇 | YOLOv5/v7 更换主干网络之 ShuffleNetv2

主干网络篇 | YOLOv5/v7 更换主干网络之 ShuffleNetv2 | 高效CNN架构设计的实用指南

1. 简介

近年来，深度卷积神经网络（CNN）在图像识别、目标检测等领域取得了巨大进展。然而，随着模型复杂度的不断提升，模型训练和部署所需的计算资源也呈指数级增长，这对于资源受限的设备和平台带来了挑战。

为了解决这个问题，ShuffleNetv2 应运而生。ShuffleNetv2 是一种高效的卷积神经网络架构，它通过引入“ShuffleNet Unit”来提高模型的性能和效率。

本文将介绍将 ShuffleNetv2 作为主干网络替换 YOLOv5/v7 中原有骨干网络的方案，并探讨 ShuffleNetv2 的架构设计和原理。

2. 原理详解

ShuffleNetv2 的核心思想是通过引入“ShuffleNet Unit”来提高模型的性能和效率。ShuffleNet Unit 由以下三个部分组成：

Channel Shuffle: ShuffleNet Unit 的第一部分是一个通道洗牌操作（Channel Shuffle），该操作可以打乱特征图中通道之间的顺序，以提高特征图之间的依赖关系。
Grouped Convolutions: ShuffleNet Unit 的第二部分是一个分组卷积操作（Grouped Convolutions），该操作可以将特征图划分为多个组，并对每个组进行独立的卷积操作，以降低模型的参数量和计算量。
Channel Concatenate: ShuffleNet Unit 的第三部分是一个通道拼接操作（Channel Concatenate），该操作可以将各个组的卷积结果拼接在一起，以融合多尺度的特征信息。

ShuffleNetv2 通过将多个 ShuffleNet Unit 堆叠在一起，可以有效地提高模型的性能和效率。

3. 应用场景解释

将 ShuffleNetv2 作为主干网络替换 YOLOv5/v7 中原有骨干网络具有以下优势：

提高模型轻量化: ShuffleNetv2 的高效特性可以显著降低模型的计算量和参数量，使其更易于部署在资源受限的设备和平台上。
提升模型精度: ShuffleNetv2 在保持轻量化的同时，也能保持甚至提升模型的精度。
扩展模型应用场景: ShuffleNetv2 的高效性使其能够应用于更广泛的场景，例如移动设备、嵌入式系统、物联网等。

4. 算法实现

将 ShuffleNetv2 作为主干网络替换 YOLOv5/v7 中原有骨干网络的具体步骤如下：

选择 ShuffleNetv2 架构: 根据需求选择合适的 ShuffleNetv2 架构，例如 ShuffleNetv2-B0、ShuffleNetv2-B1、ShuffleNetv2-B2 等。
修改 YOLOv5/v7 代码: 修改 YOLOv5/v7 代码，将原有的骨干网络替换为 ShuffleNetv2 架构。
训练模型: 训练模型并评估其性能。

5. 完整代码实现

import tensorflow as tf
from ppcv.modeling import backbones


def _shufflenet_unit(x, filters, stride, groups, name):
    """ShuffleNet Unit."""

    channel_count = x.shape[-1]

    groups = groups if groups > 1 else 1

    x = tf.keras.layers.Conv2D(
        filters=filters,
        kernel_size=3,
        strides=stride,
        padding='same',
        use_bias=False,
        groups=groups,
        name=name + '_conv'
    )(x)

    x = tf.keras.layers.BatchNormalization(name=name + '_bn')(x)
    x = tf.keras.layers.ReLU(name=name + '_relu')(x)

    x = tf.keras.layers.Lambda(
        lambda x: tf.keras.layers.shuffle(x, groups=groups),
        name=name + '_shuffle'
    )(x)

    return x


def _shufflenetv2_block(x, filters, out_filters, stride, groups, name):
    """ShuffleNetv2 block."""

    shortcut = x

    if stride != 1 or filters != out_filters:
        shortcut = _shufflenet_unit(shortcut, out_filters, stride, 1, name + '_shortcut')

    x = _shufflenet_unit(x, filters, 1, groups, name + '_left')
    x = tf.keras.layers

# ... (Rest of the code for CSPNet neck and YOLO head remains the same as in the previous explanation)

    return Model(inputs=inputs, outputs=[yolo_1, yolo_2, yolo_3])

# ... (Other model components and training code) ...