YOLOv10 论文学习

论文链接：https://arxiv.org/pdf/2405.14458
代码链接：https://github.com/THU-MIG/yolov10

解决了什么问题？

实时目标检测是计算机视觉领域的研究焦点，目的是以较低的延迟准确地预测图像中各物体的类别和坐标。它广泛应用于自动驾驶、机器人导航和目标跟踪等任务。近些年来，研究人员基本聚焦于 CNN 目标检测器，从而实现实时检测。由于 YOLO 能很好地平衡计算成本和检测表现，它已经成为了实时目标检测的主流方法。YOLO 的检测流程包括两个部分：模型前向计算和 NMS 后处理。这两个部分到现在仍然有一些缺陷，没达到准确率-效率的最优解。

YOLOs 在训练时通常使用“一对多”的标签分配策略，一个 ground-truth 目标会被分配给多个正样本。尽管表现不错，但它在推理时仍要通过 NMS 来选取最佳的正样本。这就降低了推理速度，模型表现对 NMS 的超参数很敏感，使 YOLO 无法实现端到端的部署。一个解决办法就是采用端到端 DETR 的架构。RT-DETR 提出了高效的混合编码器和最低不确定性的 qeury selection，促进了 DETR 的实时应用。但是，DETR 的复杂度很高，使它无法最优地平衡准确率和速度。另一个办法就是研究 CNN 端到端的目标检测器，通常使用“一对一”的标签分配策略，抑制重复的预测。但是，这会造成额外的推理开支或表现不佳。

此外，模型架构设计也很关键，它会影响准确率和推理速度。为了找到更高效的模型结构，研究人员探索了不同的设计策略。针对主干网络，人们提出了不同的基础计算单元来增强特征提取能力，比如 DarkNet、CSPNet、EfficientRep、ELAN 等。对于 neck 结构，人们提出了 PAN、BiC、GD 和 RepGFPN 来增强多尺度特征融合能力。此外，人们也研究了模型缩放策略和重参数化技术。尽管这些努力取得了显著的提升，但还是缺乏一个关于 YOLO 效率和准确率的全面研究。在 YOLOs 中仍然存在明显的计算冗余，使参数利用率不高，效率并非最佳的。

本文在后处理和模型架构方面，进一步发掘了 YOLO 的表现和效率的边界。为了在训练中省去 NMS，作者提出了双标签分配策略和一致的匹配度量，这样模型能在训练时获得丰富且均衡的监督信号，推理时无需 NMS，从而改善了表现、降低了推理延迟。此外，作者针对 YOLO 提出了全面的效率-准确率驱动的模型设计策略。本文从效率和准确率的角度出发，优化了 YOLO 的多个部分，极大地降低了计算成本、增强了模型能力。在效率方面，作者提出了一个轻量级的分类头、空间-通道解耦下采样、rank-guided 模块设计，从而降低计算冗余，使结构更加高效。在准确率方面，作者研究了大卷积核，提出了有效的局部自注意力模块，增强模型的能力。

实验表明，各版模型大小的 YOLOv10 都取得了 SOTA 的表现和效率。例如，在 COCO 上，YOLOv10-S 要比 RT-DETR-R18 快 $1.8\times$ 倍，但 AP 相似，而且参数量和 FLOPs 要小 $2.8\times$ 倍。与 YOLOv9-C 相比，在表现接近的情况下，YOLOv10-B 的延迟要低 $46\%$，参数量要少 $25\%$。

提出了什么方法？

Consistent Dual Assignments for NMS-free Training

训练时，YOLOs 通常利用 TAL 为每个实例分配多个正样本。该“一对多”的分配策略会产生充足的监督信号，促进模型的优化和表现。但是，YOLOs 就必须依赖 NMS 后处理，部署时的推理效率就不是最优的。尽管之前的工作研究了“一对一”的匹配策略，抑制重复的预测，它们通常会增加推理成本，表现非最优。本文提出了一个无需 NMS 的策略，即双标签分配和一致的匹配度量，实现最优的效率和表现。

Dual Label Assignment

与“一对多”的分配策略不同，“一对一”的匹配策略为每个 ground-truth 分配一个预测框，避免了 NMS 后处理。但是，它会弱化监督信号，降低了准确率和收敛速度。幸运的是，我们可以通过“一对多”的分配策略来补偿该缺陷。作者为 YOLO 引入了双标签分配策略，结合了这俩策略的优点。如下图(a)所示，作者在 YOLOs 中融合了另一个“一对一”的 head。它保留了和原本“一对多”分支一样的结构，采用了相同的优化目标函数，但是利用了“一对一”的匹配策略来完成标签分配。训练时，两个 heads 协同优化，使主干网络和 neck 能获得“一对多”分配机制提供的丰富的监督信号。推理时，作者没有用“一对多”的 head，只使用了“一对一”的 head 做预测。这使得端到端部署 YOLO 时不会增加推理成本。此外，在“一对一”的匹配时，作者采用了 top-1 选项，取得的表现和匈牙利匹配一样，额外的训练时间要更少。

Consistent Matching Metric

分配时，“一对一”和“一对多”的方法都采用了一个度量，从而对预测框和 ground-truths 之间的一致性做量化评估。作者使用了一个一致的匹配度量：

$$m(\alpha ,\beta )=s\cdot p^{\alpha }\cdot \text{IoU}(\hat{b},b{)}^{\beta }$$

其中$p$是分类得分，$\hat{b}$和$b$表示预测框和 ground-truth 框。$s$表示空间先验，预测框的 anchor point 是否在 ground-truth 内。$\alpha$和$\beta$是两个重要超参数，平衡类别预测任务和定位回归任务的影响力。将“一对多”和“一对一”度量分别记做 $m_{o2m}=m({\alpha }_{o2m},{\beta }_{o2m})$ 和 $m_{o2o}=m({\alpha }_{o2o},{\beta }_{o2o})$。这些度量会影响两个 heads 的标签分配和监督信息。

在双标签分配策略，“一对多”分支要比“一对一”分支提供更加丰富的监督信号。如果我们能使“一对一” head 的监督信号和“一对多” head 提供的信号一致，我们可以让“一对一” head 朝着“一对多” head 的优化方向来做优化。这样在推理时，“一对一” head 能提供更高质量的样本，表现就会更好。作者首先分析了这两个 heads 监督信号之间的差距。由于训练的随机性，作者用相同的值来初始化这俩 heads，产生相同的预测结果，也就是说，对于每对预测-ground-truth，“一对一” head 和“一对多” head 输出相同的 $p$ 和 $\text{IoU}$。作者发现，这两个分支的回归目标互不冲突，因为匹配上的预测框会共享 ground-truth，而没有匹配上的框会被忽略掉。所以，监督差异就存在于分类目标。给定一个 ground-truth，我们将和预测框 $\text{IoU}$ 最高的 ground-truth 记做 $u^{\ast }$，“一对多”和“一对一”最高的匹配分数记做 $m_{o2m}^{\ast }$和$m_{o2o}^{\ast }$。假设“一对多”分支输出的正样本集合为$\Omega$，“一对一”分支选取度量值为 $m_{o2o}=m_{o2o}^{\ast }$ 的第$i$个预测框，然后我们可以推导 TAL 的分类目标为 $t_{o2m,j}=u^{\ast }\cdot \frac{m_{o2m,j}}{m_{o2m}^{\ast }}\le u^{\ast },j\in \Omega$，$t_{o2o,i}=u^{\ast }\cdot \frac{m_{o2o,i}}{m_{o2o}^{\ast }}\le u^{\ast },j\in \Omega$。这两个分支的监督差异因此就可以用不同分类目标函数的 1-Wasserstein 距离来推导，

A = t o 2 o , i − I ( i ∈ Ω ) t o 2 m , i + ∑ k ∈ Ω \ { i } t o 2 m , k A=t_{o2o,i}-\mathbb{I}(i\in \Omega)t_{o2m,i} + \sum_{k\in\Omega \backslash \{i\}} t_{o2m,k} A=to2o,i​−I(i∈Ω)to2m,i​+k∈Ω\{i}∑​to2m,k​

我们可以发现该差距会随着$t_{o2m,i}$增长而减少，即在 $\Omega$ 中 $i$ 的排序比较高。当$t_{o2m,i}=u^{\ast }$ 时，它达到最低，即它是 $\Omega$ 中最优的正样本，如上图(a)所示。作者提出了一致的匹配度量，即 ${\alpha }_{o2o}=r\cdot {\alpha }_{o2m}$ 和 ${\beta }_{o2o}=r\cdot {\beta }_{o2m}$，也就是说 $m_{o2o}=m_{o2m}^r$。因此，“一对多” head 的最佳正样本也是“一对一” head 的最佳正样本。于是，这俩 heads 都能一致地被优化。为了简洁，作者默认地取 $r=1$，即 ${\alpha }_{o2o}={\alpha }_{o2m}$，${\beta }_{o2o}={\beta }_{o2m}$。为了验证该监督对齐后的效果，作者在“一对多”匹配的结果里，数了“一对一”匹配上 top-1/5/10 的样本对。如上图2(b) 所示，有了一致的匹配度量后，对齐效果得到改善。

Holistic Efficiency-Accuracy Driven Model Design

除了后处理，YOLO 模型的结构也是一个挑战。尽管之前的工作研究了各种设计策略，但仍欠缺一个对 YOLO 各构成的系统全面的分析。模型架构带来不可忽视的计算冗余，制约了性能。于是，作者从效率和准确率的角度，系统地分析了模型架构的设计。

Efficiency driven model design

YOLO 由 stem、下采样层、基础构建模块构成的 stages 和 head 组成。Stem 带来的计算成本不多，因此作者从另外三个部分下手。

轻量级的分类 head

在 YOLO 中，分类和回归 heads 通常共享相同的结构。但是，它们的计算成本是明显不同的。例如，在 YOLOv8-S 中，分类 head 的计算量和参数量（$5.95G/1.51M$）是回归 head （$2.34G/0.64M$）的 $2.5\times$ 和 $2.4\times$。但是，分析了分类损失和回归损失的影响后，作者发现回归 head 在 YOLO 的表现上要承担更加重要的角色。因此，作者可以降低分类 head 的成本，而无需担心表现变差。所以，作者只为分类 head 使用了一个轻量级的结构，包括两个深度可分离卷积（核大小是 $3\times 3$），后面是一个 $1\times 1$卷积。

空间-通道解耦下采样

YOLOs 通常使用标准的 $3\times 3$ 卷积，步长为 $2$，同时做空间下采样（从$H\times W$变到$\frac{H}{2}\times \frac{W}{2}$）和通道变换（从 $C$ 变成 $2C$）。这回引入的计算量约为 $\mathcal{O}(\frac{9}{2}HW{C}^2)$，参数量约为$\mathcal{O}(18C^2)$。相反，作者提出将空间尺寸降低和通道增加的操作解耦，使下采样更加高效。首先利用 pointwise 卷积来调节通道维度，然后利用深度卷积来进行空间下采样。这就将计算成本降低到了 $\mathcal{O}(2HW{C}^2+\frac{9}{2}HWC)$，参数量为 $\mathcal{O}(2C^2+18C)$。同时在下采样时最大可能地保留信息，提升表现，降低延迟。

Rank-guided block design

YOLOs 通常会在多个 stages 中用到相同的结构，比如 YOLOv8 的 bottleneck block。为了彻底地验证该设计，作者使用了 intrinsic rank 来分析每个 stage 的冗余性。作者计算每个 stage 最后一个基础模块的最后一个卷积的数值 rank，计数超过特定阈值的奇异值个数。下图(a) 展示了 YOLOv8，表明较深的 stages 和较大的模型存在更多的冗余。这个观察表明，给所有的 stages 简单地添加更多的相同模块并不是最优的。于是，作者提出了 rank-guided 模块设计，目的是降低冗余 stages 的复杂度。如下图b 所示，作者首先提出了一个紧凑的倒转模块（CIB）结构，采用廉价的深度卷积做空间混合，pointwise 卷积做通道混合。它可以作为基础构建模块用，嵌入到 ELAN 结构中。然后，作者提出了 rank-guided 模块分配策略来实现最优的效率，而保持模型性能。给定一个模型，我们根据 intrinsic rank 将所有的 stages 做升序排序。作者用 CIB 替换第一个 stage 的基础模块，进一步校验表现差异。如果表现没有退化，我们就在下一个 stage 继续该替换，不然就停止替换。因此，我们能跨 stages 和模型尺度，实现一个自适应的模块设计，实现更高的计算效率，而不会牺牲准确率。

Accuracy driven model design

作者进一步研究了大卷积核的卷积和自注意力，以最低的代价提升模型表现。

大卷积核卷积
大卷积核的深度卷积能有效地扩大感受野，增强模型表现。但是，直接在 stages 中使用它们会污染检测小目标的浅层特征，也会增加高分辨率 stages 的 I/O 开支和延迟。所以，作者提出在深度 stages 的 CIB 中使用大卷积核的深度卷积。作者增加 CIB 的第二个 $3\times 3$ 深度卷积的卷积核大小为 $7\times 7$。此外，作者使用了结构重参数化技术，加入了另一个 $3\times 3$ 深度卷积分支，降低优化难度，而不会增加推理代价。此外，由于模型大小增加，感受野自然地就变大了，使用大卷积核卷积的优势就没了。所以，作者只在小模型使用了大卷积核。

Partial self-attention
自注意力被广泛使用在各视觉任务上。但是，它带来的计算复杂度和内存占用都太高了。于是，作者提出了一个高效的局部自注意力模块设计，如上图© 所示。在 $1\times 1$ 卷积后，作者将特征平均地拆分成两个部分。作者只将一个部分输入进由 multi-head 自注意力和 FFN 组成的 $N_{PSA}$ 模块。这俩部分然后 concat 一起，输入一个 $1\times 1$ 卷积。此外，为了提高推理速度，在 MHSA 中，query 和 key 的维度是 value 的一半，将 LayerNorm 替换为了 BatchNorm。PSA 只放在了分辨率最低的 Stage 4 后，避免自注意力了高复杂度计算成本。这样，YOLO 中就加入了全局表征学习的能力，而且计算代价最低，很好地增强了模型能力，提升表现。