YOLOv10涨点改进：KAN系列 | 「一夜干掉MLP」的KAN ，全新神经网络架构一夜爆火

原创

AI小怪兽

发布于 2024-06-13 10:01:03

9120

发布于 2024-06-13 10:01:03

💡💡💡创新点：来自 MIT 等机构的研究者提出了一种非常有潜力的替代方法 KAN。该方法在准确性和可解释性方面表现优于 MLP。而且，它能以非常少的参数量胜过以更大参数量运行的 MLP。

KAN 在边上具有激活函数，而 MLP 在节点上具有激活函数。KAN 似乎比 MLP 的参数效率更高

💡💡💡如何跟YOLOv10结合：KANConv结合C2f从而替代YOLOv8的C2f，结构图如下

改进结构图如下：

1.YOLOv10介绍

添加描述

论文： https://arxiv.org/pdf/2405.14458

代码： GitHub - THU-MIG/yolov10: YOLOv10: Real-Time End-to-End Object Detection

摘要：在过去的几年里，由于其在计算成本和检测性能之间的有效平衡，YOLOS已经成为实时目标检测领域的主导范例。研究人员已经探索了YOLOS的架构设计、优化目标、数据增强策略等，并取得了显著进展。然而，对用于后处理的非最大抑制（NMS）的依赖妨碍了YOLOS的端到端部署，并且影响了推理延迟。此外，YOLOS中各部件的设计缺乏全面和彻底的检查，导致明显的计算冗余，限制了模型的性能。这导致次优的效率，以及相当大的性能改进潜力。在这项工作中，我们的目标是从后处理和模型架构两个方面进一步推进YOLOS的性能-效率边界。为此，我们首先提出了用于YOLOs无NMS训练的持续双重分配，该方法带来了有竞争力的性能和低推理延迟。此外，我们还介绍了YOLOS的整体效率-精度驱动模型设计策略。我们从效率和精度两个角度对YOLOS的各个组件进行了全面优化，大大降低了计算开销，增强了性能。我们努力的成果是用于实时端到端对象检测的新一代YOLO系列，称为YOLOV10。广泛的实验表明，YOLOV10在各种模型规模上实现了最先进的性能和效率。例如，在COCO上的类似AP下，我们的YOLOV10-S比RT-DETR-R18快1.8倍，同时具有2.8倍更少的参数和FLOPS。与YOLOV9-C相比，YOLOV10-B在性能相同的情况下，延迟减少了46%，参数减少了25%。

1.YOLOv10介绍

添加描述

论文： https://arxiv.org/pdf/2405.14458

代码： GitHub - THU-MIG/yolov10: YOLOv10: Real-Time End-to-End Object Detection

摘要：在过去的几年里，由于其在计算成本和检测性能之间的有效平衡，YOLOS已经成为实时目标检测领域的主导范例。研究人员已经探索了YOLOS的架构设计、优化目标、数据增强策略等，并取得了显著进展。然而，对用于后处理的非最大抑制（NMS）的依赖妨碍了YOLOS的端到端部署，并且影响了推理延迟。此外，YOLOS中各部件的设计缺乏全面和彻底的检查，导致明显的计算冗余，限制了模型的性能。这导致次优的效率，以及相当大的性能改进潜力。在这项工作中，我们的目标是从后处理和模型架构两个方面进一步推进YOLOS的性能-效率边界。为此，我们首先提出了用于YOLOs无NMS训练的持续双重分配，该方法带来了有竞争力的性能和低推理延迟。此外，我们还介绍了YOLOS的整体效率-精度驱动模型设计策略。我们从效率和精度两个角度对YOLOS的各个组件进行了全面优化，大大降低了计算开销，增强了性能。我们努力的成果是用于实时端到端对象检测的新一代YOLO系列，称为YOLOV10。广泛的实验表明，YOLOV10在各种模型规模上实现了最先进的性能和效率。例如，在COCO上的类似AP下，我们的YOLOV10-S比RT-DETR-R18快1.8倍，同时具有2.8倍更少的参数和FLOPS。与YOLOV9-C相比，YOLOV10-B在性能相同的情况下，延迟减少了46%，参数减少了25%。

1.1 C2fUIB介绍

为了解决这个问题，我们提出了一种基于秩的块设计方案，旨在通过紧凑的架构设计降低被证明是冗余的阶段复杂度。我们首先提出了一个紧凑的倒置块（CIB）结构，它采用廉价的深度可分离卷积进行空间混合，以及成本效益高的点对点卷积进行通道混合

C2fUIB只是用CIB结构替换了YOLOv8中 C2f的Bottleneck结构

实现代码ultralytics/nn/modules/block.py

class CIB(nn.Module):
    """Standard bottleneck."""

    def __init__(self, c1, c2, shortcut=True, e=0.5, lk=False):
        """Initializes a bottleneck module with given input/output channels, shortcut option, group, kernels, and
        expansion.
        """
        super().__init__()
        c_ = int(c2 * e)  # hidden channels
        self.cv1 = nn.Sequential(
            Conv(c1, c1, 3, g=c1),
            Conv(c1, 2 * c_, 1),
            Conv(2 * c_, 2 * c_, 3, g=2 * c_) if not lk else RepVGGDW(2 * c_),
            Conv(2 * c_, c2, 1),
            Conv(c2, c2, 3, g=c2),
        )

        self.add = shortcut and c1 == c2

    def forward(self, x):
        """'forward()' applies the YOLO FPN to input data."""
        return x + self.cv1(x) if self.add else self.cv1(x)

class C2fCIB(C2f):
    """Faster Implementation of CSP Bottleneck with 2 convolutions."""

    def __init__(self, c1, c2, n=1, shortcut=False, lk=False, g=1, e=0.5):
        """Initialize CSP bottleneck layer with two convolutions with arguments ch_in, ch_out, number, shortcut, groups,
        expansion.
        """
        super().__init__(c1, c2, n, shortcut, g, e)
        self.m = nn.ModuleList(CIB(self.c, self.c, shortcut, e=1.0, lk=lk) for _ in range(n))

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1.2 PSA介绍

具体来说，我们在1×1卷积后将特征均匀地分为两部分。我们只将一部分输入到由多头自注意力模块（MHSA）和前馈网络（FFN）组成的NPSA块中。然后，两部分通过1×1卷积连接并融合。此外，遵循将查询和键的维度分配为值的一半，并用BatchNorm替换LayerNorm以实现快速推理。

实现代码ultralytics/nn/modules/block.py

class Attention(nn.Module):
    def __init__(self, dim, num_heads=8,
                 attn_ratio=0.5):
        super().__init__()
        self.num_heads = num_heads
        self.head_dim = dim // num_heads
        self.key_dim = int(self.head_dim * attn_ratio)
        self.scale = self.key_dim ** -0.5
        nh_kd = nh_kd = self.key_dim * num_heads
        h = dim + nh_kd * 2
        self.qkv = Conv(dim, h, 1, act=False)
        self.proj = Conv(dim, dim, 1, act=False)
        self.pe = Conv(dim, dim, 3, 1, g=dim, act=False)

    def forward(self, x):
        B, _, H, W = x.shape
        N = H * W
        qkv = self.qkv(x)
        q, k, v = qkv.view(B, self.num_heads, -1, N).split([self.key_dim, self.key_dim, self.head_dim], dim=2)

        attn = (
            (q.transpose(-2, -1) @ k) * self.scale
        )
        attn = attn.softmax(dim=-1)
        x = (v @ attn.transpose(-2, -1)).view(B, -1, H, W) + self.pe(v.reshape(B, -1, H, W))
        x = self.proj(x)
        return x

class PSA(nn.Module):

    def __init__(self, c1, c2, e=0.5):
        super().__init__()
        assert(c1 == c2)
        self.c = int(c1 * e)
        self.cv1 = Conv(c1, 2 * self.c, 1, 1)
        self.cv2 = Conv(2 * self.c, c1, 1)
        
        self.attn = Attention(self.c, attn_ratio=0.5, num_heads=self.c // 64)
        self.ffn = nn.Sequential(
            Conv(self.c, self.c*2, 1),
            Conv(self.c*2, self.c, 1, act=False)
        )
        
    def forward(self, x):
        a, b = self.cv1(x).split((self.c, self.c), dim=1)
        b = b + self.attn(b)
        b = b + self.ffn(b)
        return self.cv2(torch.cat((a, b), 1))

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1.3 SCDown

OLOs通常利用常规的3×3标准卷积，步长为2，同时实现空间下采样（从H×W到H/2×W/2）和通道变换（从C到2C）。这引入了不可忽视的计算成本O(9HWC^2)和参数数量O(18C^2)。相反，我们提议将空间缩减和通道增加操作解耦，以实现更高效的下采样。具体来说，我们首先利用点对点卷积来调整通道维度，然后利用深度可分离卷积进行空间下采样。这将计算成本降低到O(2HWC^2 + 9HWC)，并将参数数量减少到O(2C^2 + 18C)。同时，它最大限度地保留了下采样过程中的信息，从而在减少延迟的同时保持了有竞争力的性能。

实现代码ultralytics/nn/modules/block.py

class SCDown(nn.Module):
    def __init__(self, c1, c2, k, s):
        super().__init__()
        self.cv1 = Conv(c1, c2, 1, 1)
        self.cv2 = Conv(c2, c2, k=k, s=s, g=c2, act=False)

    def forward(self, x):
        return self.cv2(self.cv1(x))

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2. KAN原理介绍

论文： 2404.19756 (arxiv.org)

摘要：受Kolmogorov-Arnold表示定理的启发，我们提出Kolmogorov-Arnold网络(KANs)作为多层感知器(mlp)的有前途的替代品。mlp在节点(“神经元”)上有固定的激活函数，而kan在边缘(“权重”)上有可学习的激活函数。kan根本没有线性权重——每个权重参数都被参数化为样条的单变量函数所取代。我们表明，这个看似简单的改变使得KANs在准确性和可解释性方面优于mlp。就准确性而言，在数据拟合和PDE求解方面，更小的kan可以达到与更大的mlp相当或更好的准确性。从理论上和实证上看，kan比mlp具有更快的神经尺度规律。对于可解释性，KANs可以直观地可视化，并且可以轻松地与人类用户交互。通过数学和物理的两个例子，kan被证明是有用的“合作者”，帮助科学家(重新)发现数学和物理定律。总之，KANs是mlp的有希望的替代品，为进一步改进当今严重依赖mlp的深度学习模型提供了机会。

KAN 在边上具有激活函数，而 MLP 在节点上具有激活函数。KAN 看起来比 MLP 的参数效率更高，但每个 KAN 层比 MLP 层拥有更多的参数。