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作者:RangiLyu

上來先貼一下性能對比：

華為P30上用NCNN移植跑benchmark，每幀僅需10.23毫秒，比yolov4-tiny快3倍，參數(shù)量小6倍，COCO mAP(0.5:0.95)能夠達到20.6 。而且模型權(quán)重文件只有1.8mb，對比動輒數(shù)十兆的模型，可以說是相當友好了~

Android Demo

項目地址（提供訓練代碼到安卓部署一站式解決方案）：

RangiLyu/nanodet: ?Super fast and lightweight anchor-free object detection model. Only 1.8mb and run 97FPS on cellphone (github.com)?github.com

前言

深度學習目標檢測已經(jīng)發(fā)展了許多年，從Two-stage到One-stage，從Anchor-base到Anchor-free，再到今年的用Transformer做目標檢測，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)著主導地位。這個項目的主要目的是希望能夠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，而且同樣方便訓練和移植。
其實從去年大量anchor-free的論文發(fā)表之后，我就一直想把anchor free的模型移植到移動端或者是嵌入式設備上。當時嘗試過把FCOS輕量化的實驗，奈何效果并不如mobilenet+yolov3，也就暫時擱置了。分析下來，主要還是因為FCOS的centerness分支在輕量級的模型上很難收斂，之后發(fā)表的一些在FCOS上面進行改進的論文也都沒有解決這一問題。

直到今年年中的時候刷arxiv突然刷到了

@李翔

老師的論文Generalized Focal Loss: Learning Qualified and Distributed Bounding Boxes for Dense Object Detection，論文中提出的GFocalLoss完美去掉了FCOS系列的Centerness分支，而且在coco數(shù)據(jù)集上漲點顯著，這么好的文章怎么能不點贊呢？GFL的出現(xiàn)不僅去掉了難以訓練的Centerness，而且還省去了這一分支上的大量卷積，減少了檢測頭的計算開銷，非常適合移動端的輕量化部署。
貼一下李翔老師關(guān)于GFocal Loss的解讀：

李翔：大白話 Generalized Focal Loss?zhuanlan.zhihu.com

檢測頭輕量化

在找到了合適的損失函數(shù)之后，接下來的關(guān)鍵就是如何使其在輕量化模型上發(fā)揮作用了。首先需要對移動端進行優(yōu)化的就是檢測頭：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使用同一組卷積預測檢測框，然后每一層使用一個可學習的Scale值作為系數(shù)，對預測出來的框進行縮放。

FCOS模型架構(gòu)

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)百通道的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進行計算，共享權(quán)重并不會對推理過程進行加速，而且在檢測頭非常輕量的情況下，共享權(quán)重使得其檢測能力進一步下降，因此還是選擇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作為歸一化的方式，GN對比BN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)省下歸一化操作的時間，我選擇將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，我首先選擇使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)，這樣能夠享受到大部分推理框架的并行加速。最后，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。下圖就是最終得到的輕量化檢測頭的結(jié)構(gòu)，非常的小巧：

NanoDet檢測頭

FPN層改進

目前針對FPN的改進有許多，如EfficientDet使用了BiFPN，yolo v4和yolo 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勢必會帶來運行速度的降低，而PAN只有自上而下和自下而上兩條通路，非常的簡潔，是輕量級模型特征融合的好選擇。
原版的PAN和yolo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。我為了輕量化的原則，選擇完全去掉PAN中的所有卷積，只保留從骨干網(wǎng)絡特征提取后的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，我選擇將多尺度的Feature Map直接相加，使得整個特征融合模塊的計算量變得非常非常小。
最終的極小版PAN的結(jié)構(gòu)也是非常簡單：

超輕量的PAN

Backbone的選擇

原本有考慮過自己魔改一個輕量級的backbone出來，但是最后評估了一下感覺工作量太大了（在家訓練模型電費太貴），就打算選擇使用現(xiàn)有的一些輕量級骨干網(wǎng)絡。最開始的選擇有MobileNet系列，GhostNet，ShuffleNet，還有最近的EfficientNet。在評估了參數(shù)量、計算量以及權(quán)重大小之后，還是選擇了ShuffleNetV2作為骨干網(wǎng)絡，因為它是這些模型里面在相似精度下體積最小的，而且對移動端CPU推理也比較友好。
最終我選擇使用ShuffleNetV2 1.0x作為backbone，去掉了最后一層卷積，并且抽取8、16、32倍下采樣的特征輸入進PAN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預訓練權(quán)重，對加快模型收斂有很大的幫助。順便一提，最近有些論文指出使用分類的預訓練權(quán)重初始化模型對檢測任務的效果不如隨機初始化的好，不過這要付出訓練更多步數(shù)的代價，我還沒有測試過，歡迎大家嘗試~

NanoDet整體模型結(jié)構(gòu)

模型性能

在經(jīng)過對one-stage檢測模型三大模塊（Head、Neck、Backbone）都進行輕量化之后，得到了目前開源的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，非常適合在移動端部署，能夠有效減少APP體積，同時也對更低端的嵌入式設備更加友好。
盡管模型非常的輕量，但是性能卻依舊強勁。對于小模型，往往選擇使用AP50這種比較寬容的評價指標進行對比，這里我選擇用更嚴格一點的COCO mAP(0.5:0.95)作為評估指標，同時兼顧檢測和定位的精度。在COCO val 5000張圖片上測試，并沒有使用Testing-Time-Augmentation的情況下，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，而將輸入分辨率與yolo保持一致，都使用416輸入的情況下，得分持平。
最后用ncnn部署到手機上之后跑了一下benchmark，模型前向計算時間只要10毫秒左右，對比yolov3和v4 tiny，均在30毫秒的量級。在安卓攝像頭demo app上，算上圖片預處理，檢測框后處理以及繪制檢測框的時間，也能輕松跑到40+FPS~。（關(guān)于模型從pytorch到安卓的部署，以及如何用C++實現(xiàn)GFL檢測框的后處理，我會再專門發(fā)一遍文章詳細介紹）

ncnn 安卓benchmark對比

總結(jié)

NanoDet總體而言沒有特別多的創(chuàng)新點，是一個純工程化的項目，主要的工作就是將目前學術(shù)界的一些優(yōu)秀論文，落地到移動端的輕量級模型上。最后通過這些論文的組合，得到了一個兼顧精度、速度和體積的檢測模型。
為了讓大家能夠快速使用NanoDet，方便訓練和部署，我已經(jīng)把Pytorch的訓練代碼、基于NCNN的Linux和windowsC++部署代碼以及Android攝像頭Demo全部開源，同時在Readme中也包含了非常詳細的教程，歡迎大家使用，歡迎提issue~
順便提一句，NanoDet訓練并沒有用到很多數(shù)據(jù)增強的技巧，模型結(jié)構(gòu)也非常簡單，也就是說mAP應該還有很大的提升空間，如果有小伙伴愿意魔改一下再漲幾個點那就再好不過了（嘻嘻）。
最后的最后，Github求Star?。?！

RangiLyu/nanodet: ?Super fast and lightweight anchor-free object detection model. Only 1.8mb and run 97FPS on cellphone (github.com)?github.com

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11月25日更新：

大家都太熱情了！NanoDet僅開源三天Github就已經(jīng)突破900star，并且登上了Github趨勢榜！

感謝各位大佬的支持，特別感謝李翔老師的論文給NanoDet模型的啟發(fā)，以及ncnn作者nihui在項目初期的推廣~大家快去給ncnn和GFocalLoss點star??！

Tencent/ncnn: ncnn is a high-performance neural network inference framework optimized for the mobile platform (github.com)?github.comimplus/GFocal: Generalized Focal Loss: Learning Qualified and Distributed Bounding Boxes for Dense Object Detection (github.com)?github.com

之前一直在ncnn群里面討論NanoDet，感覺不太合適，所以專門建了一個討論群：908606542 (進群答案：煉丹) 歡迎大家來討論~

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審核編輯：符乾江