基于YOLOv8的NEU-DET钢材表面缺陷检测任务，加入DCNv4和SPPF结合DCNv4提升检测精度

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AI小怪兽

发布于 2024-01-21 20:51:13

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💡💡💡本文主要内容:通过实战NEU-DET钢材表面缺陷检测任务，验证DCNv4和SPPF结合DCNv4的可行性

实验结果表明：原始YOLOv8n map0.5为 0.768，DCNv4为，SPPF结合DCNv4为0.775

1.NEU-DET钢材表面缺陷检测任务

由中国东北大学（NEU）发布的表面缺陷数据库，收集了热轧钢带的六种典型表面缺陷，即轧制氧化皮（RS），斑块（Pa），开裂（Cr），点蚀表面（ PS），内含物（In）和划痕（Sc）。该数据库包括1,800个灰度图像：六种不同类型的典型表面缺陷，每一类缺陷包含300个样本。对于缺陷检测任务，数据集提供了注释，指示每个图像中缺陷的类别和位置。

数据集大小1800，按照train、val、test随机划分为0.7:0.2:0.1

2.DCNv4原理介绍

论文： https://arxiv.org/pdf/2401.06197.pdf

摘要：我们介绍了可变形卷积v4 (DCNv4)，这是一种高效的算子，专为广泛的视觉应用而设计。DCNv4通过两个关键增强解决了其前身DCNv3的局限性:去除空间聚合中的softmax归一化，增强空间聚合的动态性和表现力;优化内存访问以最小化冗余操作以提高速度。与DCNv3相比，这些改进显著加快了收敛速度，并大幅提高了处理速度，其中DCNv4的转发速度是DCNv3的三倍以上。DCNv4在各种任务中表现出卓越的性能，包括图像分类、实例和语义分割，尤其是图像生成。当在潜在扩散模型中与U-Net等生成模型集成时，DCNv4的性能优于其基线，强调了其增强生成模型的可能性。在实际应用中，将InternImage模型中的DCNv3替换为DCNv4来创建FlashInternImage，无需进一步修改即可使速度提高80%，并进一步提高性能。DCNv4在速度和效率方面的进步，以及它在不同视觉任务中的强大性能，显示了它作为未来视觉模型基础构建块的潜力。

图1所示。(a)我们以DCNv3为基准显示相对运行时间。DCNv4比DCNv3有明显的加速，并且超过了其他常见的视觉算子。(b)在相同的网络架构下，DCNv4收敛速度快于其他视觉算子，而DCNv3在初始训练阶段落后于视觉算子。

为了克服这些挑战，我们提出了可变形卷积v4 (DCNv4)，这是一种创新的进步，用于优化稀疏DCN算子的实际效率。DCNv4具有更快的实现速度和改进的操作符设计，以增强其性能，我们将详细说明如下: 首先，我们对现有实现进行指令级内核分析，发现DCNv3已经是轻量级的。计算成本不到1%，而内存访问成本为99%。这促使我们重新审视运算符实现，并发现DCN转发过程中的许多内存访问是冗余的，因此可以进行优化，从而实现更快的DCNv4实现。其次，从卷积的无界权值范围中得到启发，我们发现在DCNv3中，密集关注下的标准操作——空间聚合中的softmax归一化是不必要的，因为它不要求算子对每个位置都有专用的聚合窗口。直观地说，softmax将有界的0 ~ 1值范围放在权重上，并将限制聚合权重的表达能力。这一见解使我们消除了DCNv4中的softmax，增强了其动态特性并提高了其性能。因此，DCNv4不仅收敛速度明显快于DCNv3，而且正向速度提高了3倍以上。这一改进使DCNv4能够充分利用其稀疏特性，成为最快的通用核心视觉算子之一。

我们进一步将InternImage中的DCNv3替换为DCNv4，创建FlashInternImage。值得注意的是，与InternImage相比，FlashInternImage在没有任何额外修改的情况下实现了50 ~ 80%的速度提升。这一增强定位FlashInternImage作为最快的现代视觉骨干网络之一，同时保持卓越的性能。在DCNv4的帮助下，FlashInternImage显著提高了ImageNet分类[10]和迁移学习设置的收敛速度，并进一步提高了下游任务的性能。

图2。(a)注意力(Attention)和(b) DCNv3使用有限的(范围从0 ~ 1)动态权值来聚合空间特征，而注意力的窗口(采样点集)是相同的，DCNv3为每个位置使用专用的窗口。(c)卷积对于聚合权值具有更灵活的无界值范围，并为每个位置使用专用滑动窗口，但窗口形状和聚合权值是与输入无关的。(d) DCNv4结合两者的优点，采用自适应聚合窗口和无界值范围的动态聚合权值。

图3。说明我们的优化。在DCNv4中，我们使用一个线程来处理同一组中的多个通道，这些通道共享采样偏移量和聚合权重。可以减少内存读取和双线性插值系数计算等工作负载，并且可以合并多个内存访问指令。

3.DCNv4加入YOLOv8

3.1 yolov8_DCNV4.yaml

# Ultralytics YOLO 🚀, AGPL-3.0 license
# YOLOv8 object detection model with P3-P5 outputs. For Usage examples see https://docs.ultralytics.com/tasks/detect

# Parameters
nc: 80  # number of classes
scales: # model compound scaling constants, i.e. 'model=yolov8n.yaml' will call yolov8.yaml with scale 'n'
  # [depth, width, max_channels]
  n: [0.33, 0.25, 1024]  # YOLOv8n summary: 225 layers,  3157200 parameters,  3157184 gradients,   8.9 GFLOPs
  s: [0.33, 0.50, 1024]  # YOLOv8s summary: 225 layers, 11166560 parameters, 11166544 gradients,  28.8 GFLOPs
  m: [0.67, 0.75, 768]   # YOLOv8m summary: 295 layers, 25902640 parameters, 25902624 gradients,  79.3 GFLOPs
  l: [1.00, 1.00, 512]   # YOLOv8l summary: 365 layers, 43691520 parameters, 43691504 gradients, 165.7 GFLOPs
  x: [1.00, 1.25, 512]   # YOLOv8x summary: 365 layers, 68229648 parameters, 68229632 gradients, 258.5 GFLOPs

# YOLOv8.0n backbone
backbone:
  # [from, repeats, module, args]
  - [-1, 1, Conv, [64, 3, 2]]  # 0-P1/2
  - [-1, 1, Conv, [128, 3, 2]]  # 1-P2/4
  - [-1, 3, C2f, [128, True]]
  - [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]]  # 3-P3/8
  - [-1, 6, C2f, [256, True]]
  - [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]]  # 5-P4/16
  - [-1, 6, C2f, [512, True]]
  - [-1, 1, Conv, [1024, 3, 2]]  # 7-P5/32
  - [-1, 3, C2f, [1024, True]]
  - [-1, 1, SPPF, [1024, 5]]  # 9

# YOLOv8.0n head
head:
  - [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']]
  - [[-1, 6], 1, Concat, [1]]  # cat backbone P4
  - [-1, 3, C2f, [512]]  # 12

  - [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']]
  - [[-1, 4], 1, Concat, [1]]  # cat backbone P3
  - [-1, 3, C2f, [256]]  # 15 (P3/8-small)

  - [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]]
  - [[-1, 12], 1, Concat, [1]]  # cat head P4
  - [-1, 3, C2f, [512]]  # 18 (P4/16-medium)

  - [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]]
  - [[-1, 9], 1, Concat, [1]]  # cat head P5
  - [-1, 3, C2f, [1024]]  # 21 (P5/32-large)
  
  - [15, 1, DCNV4, [256,3, 1]]
  - [18, 1, DCNV4, [512,3, 1]]
  - [21, 1, DCNV4, [1024,3, 1]]


  - [[22, 23, 24], 1, Detect, [nc]]  # Detect(P3, P4, P5)

3.2 yolov8-DCNv4_SPPF.yaml

# Ultralytics YOLO 🚀, AGPL-3.0 license
# YOLOv8 object detection model with P3-P5 outputs. For Usage examples see https://docs.ultralytics.com/tasks/detect

# Parameters
nc: 80  # number of classes
scales: # model compound scaling constants, i.e. 'model=yolov8n.yaml' will call yolov8.yaml with scale 'n'
  # [depth, width, max_channels]
  n: [0.33, 0.25, 1024]  # YOLOv8n summary: 225 layers,  3157200 parameters,  3157184 gradients,   8.9 GFLOPs
  s: [0.33, 0.50, 1024]  # YOLOv8s summary: 225 layers, 11166560 parameters, 11166544 gradients,  28.8 GFLOPs
  m: [0.67, 0.75, 768]   # YOLOv8m summary: 295 layers, 25902640 parameters, 25902624 gradients,  79.3 GFLOPs
  l: [1.00, 1.00, 512]   # YOLOv8l summary: 365 layers, 43691520 parameters, 43691504 gradients, 165.7 GFLOPs
  x: [1.00, 1.25, 512]   # YOLOv8x summary: 365 layers, 68229648 parameters, 68229632 gradients, 258.5 GFLOPs

# YOLOv8.0n backbone
backbone:
  # [from, repeats, module, args]
  - [-1, 1, Conv, [64, 3, 2]]  # 0-P1/2
  - [-1, 1, Conv, [128, 3, 2]]  # 1-P2/4
  - [-1, 3, C2f, [128, True]]
  - [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]]  # 3-P3/8
  - [-1, 6, C2f, [256, True]]
  - [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]]  # 5-P4/16
  - [-1, 6, C2f, [512, True]]
  - [-1, 1, Conv, [1024, 3, 2]]  # 7-P5/32
  - [-1, 3, C2f, [1024, True]]
  - [-1, 1, DCNv4_SPPF, [1024, 5]]  # 9

# YOLOv8.0n head
head:
  - [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']]
  - [[-1, 6], 1, Concat, [1]]  # cat backbone P4
  - [-1, 3, C2f, [512]]  # 12

  - [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']]
  - [[-1, 4], 1, Concat, [1]]  # cat backbone P3
  - [-1, 3, C2f, [256]]  # 15 (P3/8-small)

  - [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]]
  - [[-1, 12], 1, Concat, [1]]  # cat head P4
  - [-1, 3, C2f, [512]]  # 18 (P4/16-medium)

  - [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]]
  - [[-1, 9], 1, Concat, [1]]  # cat head P5
  - [-1, 3, C2f, [1024]]  # 21 (P5/32-large)

  - [[15, 18, 21], 1, Detect, [nc]]  # Detect(P3, P4, P5)

4.结果分析

原始YOLOv8

YOLOv8 summary (fused): 168 layers, 3006818 parameters, 0 gradients, 8.1 GFLOPs
                 Class     Images  Instances      Box(P          R      mAP50  mAP50-95): 100%|██████████| 11/11 [00:03<00:00,  3.19it/s]
                   all        324        732      0.745      0.706      0.768      0.433
               crazing        324        121       0.52      0.296      0.406       0.16
             inclusion        324        175      0.731      0.806      0.819      0.475
               patches        324        147      0.826       0.81      0.907      0.592
        pitted_surface        324         78      0.822      0.718      0.794      0.472
       rolled-in_scale        324        107      0.741       0.71      0.766      0.361
             scratches        324        104      0.827      0.894      0.917      0.539

4.1 加入DCNv4性能分析

YOLOv8_DCNV4 summary (fused): 174 layers, 3093282 parameters, 0 gradients, 8.2 GFLOPs
                 Class     Images  Instances      Box(P          R      mAP50  mAP50-95): 100%|██████████| 11/11 [00:03<00:00,  2.87it/s]
                   all        324        732      0.703      0.744      0.774      0.442
               crazing        324        121      0.548      0.397      0.446       0.17
             inclusion        324        175      0.695      0.834       0.83      0.454
               patches        324        147      0.862      0.847      0.929       0.62
        pitted_surface        324         78      0.813      0.705      0.803      0.503
       rolled-in_scale        324        107      0.571       0.71      0.695       0.34
             scratches        324        104       0.73      0.971       0.94      0.563