YOLOv10改进 | 主干/Backbone篇 | 利用RT-DETR特征提取网络PPHGNetV2改进YOLOv10

一、本文介绍

本文给大家带来利用RT-DETR模型主干HGNet去替换YOLOv10的主干，RT-DETR是今年由百度推出的第一款实时的ViT模型，其在实时检测的领域上号称是打败了YOLO系列，其利用两个主干一个是HGNet一个是ResNet，其中HGNet就是我们今天来讲解的网络结构模型，这个网络结构目前还没有推出论文，所以其理论知识在网络上也是非常的少，我也是根据网络结构图进行了分析（精度mAP提高0.05）。

专栏回顾：YOLOv10改进系列专栏——本专栏持续复习各种顶会内容——科研必备

4. 1 HGNetV2-l的yaml文件(此为对比试验版本)

4.2 HGNetV2-x的yaml文件

五、运行成功记录

六、本文总结

二、HGNetV2原理讲解

本文论文地址：RT-DETR论文地址

本文代码来源：HGNetV2的代码来源

PP-HGNet 骨干网络的整体结构如下：

其中，PP-HGNet是由多个HG-Block组成，HG-Block的细节如下：

上面的图表是PP-HGNet神经网络架构的概览，下面我会对其中的每一个模块进行分析：

1. Stem层：这是网络的初始预处理层，通常包含卷积层，开始从原始输入数据中提取特征。

2. HG（层次图）块：这些块是网络的核心组件，设计用于以层次化的方式处理数据。每个HG块可能处理数据的不同抽象层次，允许网络从低级和高级特征中学习。

3. LDS（可学习的下采样）层：位于HG块之间的这些层可能执行下采样操作，减少特征图的空间维度，减少计算负载并可能增加后续层的感受野。

4. GAP（全局平均池化）：在最终分类之前，使用GAP层将特征图的空间维度减少到每个特征图一个向量，有助于提高网络对输入数据空间变换的鲁棒性。

5. 最终的卷积和全连接（FC）层：网络以一系列执行最终分类任务的层结束。这通常涉及一个卷积层（有时称为1x1卷积）来组合特征，然后是将这些特征映射到所需输出类别数量的全连接层。

这种架构的主要思想是利用层次化的方法来提取特征，其中复杂的模式可以在不同的规模和抽象层次上学习，提高网络处理复杂图像数据的能力。

这种分层和高效的处理对于图像分类等复杂任务非常有利，在这些任务中，精确预测至关重要的是在不同规模上识别复杂的模式和特征。图表还显示了HG块的扩展视图，包括多个不同滤波器大小的卷积层，以捕获多样化的特征，然后通过一个元素级相加或连接的操作（由+符号表示）在数据传递到下一层之前。

三、HGNetV2的代码

需要注意的是HGNetV2这个版本的所需组件已经集成在YOLOv8的仓库了，所以我们无需做任何的代码层面的改动，只需要设计yaml文件来配合Neck部分融合特征即可了，但是我还是把代码放在这里，供有兴趣的读者看一下，也和上面的结构进行一个对照。主要的三个结构HGStem，HGBlock，DWConv。

class HGStem(nn.Module):
    """
    StemBlock of PPHGNetV2 with 5 convolutions and one maxpool2d.

    https://github.com/PaddlePaddle/PaddleDetection/blob/develop/ppdet/modeling/backbones/hgnet_v2.py
    """

    def __init__(self, c1, cm, c2):
        """Initialize the SPP layer with input/output channels and specified kernel sizes for max pooling."""
        super().__init__()
        self.stem1 = Conv(c1, cm, 3, 2)
        self.stem2a = Conv(cm, cm // 2, 2, 1, 0)
        self.stem2b = Conv(cm // 2, cm, 2, 1, 0)
        self.stem3 = Conv(cm * 2, cm, 3, 2)
        self.stem4 = Conv(cm, c2, 1, 1)
        self.pool = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=1, padding=0, ceil_mode=True)

    def forward(self, x):
        """Forward pass of a PPHGNetV2 backbone layer."""
        x = self.stem1(x)
        x = F.pad(x, [0, 1, 0, 1])
        x2 = self.stem2a(x)
        x2 = F.pad(x2, [0, 1, 0, 1])
        x2 = self.stem2b(x2)
        x1 = self.pool(x)
        x = torch.cat([x1, x2], dim=1)
        x = self.stem3(x)
        x = self.stem4(x)
        return x


class HGBlock(nn.Module):
    """
    HG_Block of PPHGNetV2 with 2 convolutions and LightConv.

    https://github.com/PaddlePaddle/PaddleDetection/blob/develop/ppdet/modeling/backbones/hgnet_v2.py
    """

    def __init__(self, c1, cm, c2, k=3, n=6, lightconv=False, shortcut=False, act=True):
        """Initializes a CSP Bottleneck with 1 convolution using specified input and output channels."""
        super().__init__()
        block = LightConv if lightconv else Conv
        self.m = nn.ModuleList(block(c1 if i == 0 else cm, cm, k=k, act=act) for i in range(n))
        self.sc = Conv(c1 + n * cm, c2 // 2, 1, 1, act=act)  # squeeze conv
        self.ec = Conv(c2 // 2, c2, 1, 1, act=act)  # excitation conv
        self.add = shortcut and c1 == c2

    def forward(self, x):
        """Forward pass of a PPHGNetV2 backbone layer."""
        y = [x]
        y.extend(m(y[-1]) for m in self.m)
        y = self.ec(self.sc(torch.cat(y, 1)))
        return y + x if self.add else y



def autopad(k, p=None, d=1):  # kernel, padding, dilation
    """Pad to 'same' shape outputs."""
    if d > 1:
        k = d * (k - 1) + 1 if isinstance(k, int) else [d * (x - 1) + 1 for x in k]  # actual kernel-size
    if p is None:
        p = k // 2 if isinstance(k, int) else [x // 2 for x in k]  # auto-pad
    return p


class Conv(nn.Module):
    """Standard convolution with args(ch_in, ch_out, kernel, stride, padding, groups, dilation, activation)."""
    default_act = nn.SiLU()  # default activation

    def __init__(self, c1, c2, k=1, s=1, p=None, g=1, d=1, act=True):
        """Initialize Conv layer with given arguments including activation."""
        super().__init__()
        self.conv = nn.Conv2d(c1, c2, k, s, autopad(k, p, d), groups=g, dilation=d, bias=False)
        self.bn = nn.BatchNorm2d(c2)
        self.act = self.default_act if act is True else act if isinstance(act, nn.Module) else nn.Identity()

    def forward(self, x):
        """Apply convolution, batch normalization and activation to input tensor."""
        return self.act(self.bn(self.conv(x)))

    def forward_fuse(self, x):
        """Perform transposed convolution of 2D data."""
        return self.act(self.conv(x))



class DWConv(Conv):
    """Depth-wise convolution."""

    def __init__(self, c1, c2, k=1, s=1, d=1, act=True):  # ch_in, ch_out, kernel, stride, dilation, activation
        """Initialize Depth-wise convolution with given parameters."""
        super().__init__(c1, c2, k, s, g=math.gcd(c1, c2), d=d, act=act)

四、手把手教你添加HGNetV2

这里不需要改动什么，如果你的版本是老版本的，没有集成RT-DETR的版本（大部分都集成了已），那么大家可以下载一个新版本可以参考其中的怎么改，我这里就不在描述，否则拉下某一步在导致大家报错。

4. 1 HGNetV2-l的yaml文件(此为对比试验版本)

此版本的信息为：YOLOv10n-HGNet-l summary: 445 layers, 21002054 parameters, 21002038 gradients, 90.5 GFLOPs

# Ultralytics YOLO 🚀, AGPL-3.0 license
# YOLOv10 object detection model. For Usage examples see https://docs.ultralytics.com/tasks/detect

# Parameters
nc: 80 # number of classes
scales: # model compound scaling constants, i.e. 'model=yolov10n.yaml' will call yolov10.yaml with scale 'n'
  # [depth, width, max_channels]
  n: [0.33, 0.25, 1024]

backbone:
  # [from, repeats, module, args]
  - [-1, 1, HGStem, [32, 48]]  # 0-P2/4
  - [-1, 6, HGBlock, [48, 128, 3]]  # stage 1

  - [-1, 1, DWConv, [128, 3, 2, 1, False]]  # 2-P3/8
  - [-1, 6, HGBlock, [96, 512, 3]]   # stage 2

  - [-1, 1, DWConv, [512, 3, 2, 1, False]]  # 4-P3/16
  - [-1, 6, HGBlock, [192, 1024, 5, True, False]]  # cm, c2, k, light, shortcut
  - [-1, 6, HGBlock, [192, 1024, 5, True, True]]
  - [-1, 6, HGBlock, [192, 1024, 5, True, True]]  # stage 3

  - [-1, 1, DWConv, [1024, 3, 2, 1, False]]  # 8-P4/32
  - [-1, 6, HGBlock, [384, 2048, 5, True, False]]  # stage 4

  - [-1, 1, SPPF, [1024, 5]] # 10
  - [-1, 1, PSA, [1024]] # 11

# YOLOv10.0n head
head:
  - [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, "nearest"]] # 12
  - [[-1, 7], 1, Concat, [1]] # cat backbone P4
  - [-1, 3, C2f, [512]] # 14

  - [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, "nearest"]]
  - [[-1, 3], 1, Concat, [1]] # cat backbone P3
  - [-1, 3, C2f, [256]] # 17 (P3/8-small)

  - [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]]
  - [[-1, 14], 1, Concat, [1]] # cat head P4
  - [-1, 3, C2f, [512]] # 20 (P4/16-medium)

  - [-1, 1, SCDown, [512, 3, 2]]
  - [[-1, 11], 1, Concat, [1]] # cat head P5
  - [-1, 3, C2fCIB, [1024, True, True]] # 23 (P5/32-large)

  - [[17, 20, 23], 1, v10Detect, [nc]] # Detect(P3, P4, P5)

4.2 HGNetV2-x的yaml文件

此版本的信息为：YOLOv10n-HGNet-x summary: 531 layers, 24673702 parameters, 24673686 gradients, 67.3 GFLOPs

# Ultralytics YOLO 🚀, AGPL-3.0 license
# YOLOv10 object detection model. For Usage examples see https://docs.ultralytics.com/tasks/detect

# Parameters
nc: 80 # number of classes
scales: # model compound scaling constants, i.e. 'model=yolov10n.yaml' will call yolov10.yaml with scale 'n'
  # [depth, width, max_channels]
  n: [0.33, 0.25, 1024]

backbone:
  # [from, repeats, module, args]
  - [-1, 1, HGStem, [32, 64]]  # 0-P2/4
  - [-1, 6, HGBlock, [64, 128, 3]]  # stage 1

  - [-1, 1, DWConv, [128, 3, 2, 1, False]]  # 2-P3/8
  - [-1, 6, HGBlock, [128, 512, 3]]
  - [-1, 6, HGBlock, [128, 512, 3, False, True]]   # 4-stage 2

  - [-1, 1, DWConv, [512, 3, 2, 1, False]]  # 5-P3/16
  - [-1, 6, HGBlock, [256, 1024, 5, True, False]]  # cm, c2, k, light, shortcut
  - [-1, 6, HGBlock, [256, 1024, 5, True, True]]
  - [-1, 6, HGBlock, [256, 1024, 5, True, True]]
  - [-1, 6, HGBlock, [256, 1024, 5, True, True]]
  - [-1, 6, HGBlock, [256, 1024, 5, True, True]]  # 10-stage 3

  - [-1, 1, DWConv, [1024, 3, 2, 1, False]]  # 11-P4/32
  - [-1, 6, HGBlock, [512, 2048, 5, True, False]]
  - [-1, 6, HGBlock, [512, 2048, 5, True, True]]  # 13-stage 4

  - [-1, 1, SPPF, [1024, 5]] # 14
  - [-1, 1, PSA, [1024]] # 15

# YOLOv10.0n head
head:
  - [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, "nearest"]]
  - [[-1, 10], 1, Concat, [1]] # cat backbone P4
  - [-1, 3, C2f, [512]] # 18

  - [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, "nearest"]]
  - [[-1, 4], 1, Concat, [1]] # cat backbone P3
  - [-1, 3, C2f, [256]] # 21 (P3/8-small)

  - [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]]
  - [[-1, 18], 1, Concat, [1]] # cat head P4
  - [-1, 3, C2f, [512]] # 24 (P4/16-medium)

  - [-1, 1, SCDown, [512, 3, 2]]
  - [[-1, 15], 1, Concat, [1]] # cat head P5
  - [-1, 3, C2fCIB, [1024, True, True]] # 27 (P5/32-large)

  - [[21, 24, 27], 1, v10Detect, [nc]] # Detect(P3, P4, P5)

五、运行成功记录

5.1 运行记录

5.2 训练代码

import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')
from ultralytics import YOLO
 
if __name__ == '__main__':
    model = YOLO('ultralytics/cfg/models/v8/yolov8-C2f-FasterBlock.yaml')
    # model.load('yolov8n.pt') # loading pretrain weights
    model.train(data=r'替换数据集yaml文件地址',
                # 如果大家任务是其它的'ultralytics/cfg/default.yaml'找到这里修改task可以改成detect, segment, classify, pose
                cache=False,
                imgsz=640,
                epochs=150,
                single_cls=False,  # 是否是单类别检测
                batch=4,
                close_mosaic=10,
                workers=0,
                device='0',
                optimizer='SGD', # using SGD
                # resume='', # 如过想续训就设置last.pt的地址
                amp=False,  # 如果出现训练损失为Nan可以关闭amp
                project='runs/train',
                name='exp',
                )