小目标检测——YOLOV8
一、引言
- 背景介绍
（1）目标检测的重要性
目标检测在许多领域都具有极其重要的作用。在自动驾驶中，目标检测能够识别道路上的障碍物和行人，确保行车安全。在视频监控中，目标检测能够实时发现异常情况，提高安全防范能力。在工业自动化中，目标检测能够准确识别物料和产品，提高生产效率。在医疗影像中，目标检测能够辅助医生诊断疾病，提高诊断准确率。在各个领域都发挥着不可或缺的作用。
（2）深度学习在目标检测领域的应用
深度学习在目标检测领域应用广泛，通过训练深度神经网络识别图像中的目标并定位其位置。卷积神经网络（CNN）是目标检测的基础，通过滑动窗口和候选区域等方法提取特征，结合分类器和回归器实现目标检测和定位。
（3）YOLOv8模型介绍
Yolov8是一种目标检测算法，它通过独特的双路径预测和紧密的连接的卷积网络进行目标检测。该算法采用了轻量级网络结构，同时保持了较高的性能，因此具有高效的特点。此外，Yolov8还采用了级联和金字塔的思想，使算法能够处理不同大小的目标。
在Yolov8中，目标检测任务被分解为两个独立的子任务，即分类和定位。每个子任务都有自己的网络路径，这使得算法能够更好地处理不同大小的目标。在网络结构方面，Yolov8采用了轻量级网络结构，如MobileNetV2等，使得它能够在移动设备上运行得更加流畅。
- 实验目的
（1）探究YOLOv8模型在自定义数据集上的性能
（2）通过模型改进、数据增强和迁移学习提高模型性能
二、实验环境与数据集
- 实验环境配置
（1）硬件配置
Linux
GeForce RTX 2080 Ti
- 软件配置
Pycharm 2018 Community
- 自定义数据集介绍
- 数据集来源
比赛数据集：第五届全国高校计算机能力挑战赛-人工智能
- 数据集规模
决赛数据集：
大小：2.1 GB
类别：2
检测类型：遥感图像 舰船、飞机
- 数据集预处理
对原有标签进行数据集转换。
三、模型改进方法
- BiFNP-p2
（1）简介
BiFPN是一种用于目标检测和语义分割的神经网络架构，旨在改善FPN的性能。 以下是BiFPN的关键特点和工作原理：①双向连接：BiFPN引入了双向连接，允许信息在不同分辨率级别之间双向传播。②自适应特征调整：BiFPN采用自适应的特征调整机制，可以学习权重，以调整不同层级的特征以更好地匹配不同任务的需求。③模块化设计：BiFPN的模块化设计使其易于嵌入到各种深度神经网络架构中。④高效性：BiFPN被设计为高效的模型，适用于嵌入式设备和实际部署。⑤提高性能：BiFPN的引入通常能够显著提高对象检测和分割任务的性能。
(2)改进YOLOv8模型，包括更换BiFPN和融合yolov8-P2小目标检测层，以下是更改后的配置文件
- CA注意力机制
（1）简介
CA（Coordinate Attention）注意力机制用于加强深度学习模型对输入数据的空间结构理解。
CA注意力机制的核心思想是引入坐标信息，以便模型可以更好地理解不同位置之间的关系。具体流程如下：①输入特征②全局平均池化③合并宽高特征④卷积+标准化+激活函数⑤再次分开⑥转置⑦通道调整和Sigmoid - 应用注意力
（2）YOLOv8添加CA注意力机制
CA注意力机制代码包括h_sigmoid、h_swish、CoordAtt等组件，用于处理空间结构信息。
- 在conv.py文件中添加CA注意力机制
- 注册和引用CA注意力机制
- 更改yaml配置文件
- SCConv
- 简介
SCConv（Spatial and Channel Reconstruction Convolution）是一种用于卷积神经网络（CNN）的新型卷积模块，旨在减少特征图中的冗余信息，从而提高模型的效率和性能。它通过空间重建单元（SRU）和通道重建单元（CRU）来抑制空间和通道上的冗余信息，可轻松替代标准卷积层，降低模型参数和计算复杂度，同时保持或提高模型性能。
- YOLOv8 C2f融合SCConv模块
- 加入融合ScConv的C2f模块，在ultralytics包中的nn包的modules中的block.py文件中添加改进模块。
- 注册和引用融合ScConv的C2f模块
- 更改后的配置文件
四、数据增强
- 数据增强方法
- 随机丢弃 (Dropout)
- 锐化 (Sharpen)
- 仿射变换 (Affine)
- 亮度调整 (AddToBrightness)
- 色调调整 (AddToHue)
- 水平翻转 (Fliplr)
- 数据增强效果
通过坐标转换、标签处理和图像增强，有效的扩充了数据集，将原来的1500个图像和标签文件，扩充到了9000个，目的是①增加训练数据数量②提高模型性能③增强模型鲁棒性。
五、迁移学习
- 迁移学习方法
（1）预训练模型与训练模型的构建
- 实现思路
使用yolov8x.yaml的模型配置作为教师模型，学生模型采用yolov8n.yaml
- 预训练模型参数
模型结构：268 layers
参数数量：68125494 parameters
计算性能：257.4 GFLOPs
- 训练模型参数
模型结构：400 layers
参数数量：1336652 parameters
计算性能：13.2 GFLOPs
六、实验结果与分析
- 超参数设置
- Epochs=500
- Device=GPU
- Imgsz=640
- Batch=16
- 实验结果展示
（1）改进前后的模型性能对比
- 原始模型
模型结构：168 layers
参数数量：3006038 parameters
计算性能：8.1 GFLOPs
训练时间：0.209小时
最终模型大小：6.3 MB
- BiFNP-p2
模型结构：215 layers
参数数量：2225880 parameters
计算性能：17.2 GFLOPs
训练时间：0.181小时
最终模型大小：4.9 MB
- CA注意力机制
模型结构：198 layers
参数数量：3017758 parameters
计算性能：8.1 GFLOPs
训练时间：0.118小时
最终模型大小：6.3MB
- SCConv
模型结构：222 layers
参数数量：2813846 parameters
计算性能：7.5 GFLOPs
训练时间：0.144小时
最终模型大小：5.9 MB
在综合模型大小、速度和精度之下，最终了选择BiFNP-p2改进后的网络模型，作为最优的网络模型。
- 数据增强对模型性能的影响——以原始模型为例
数据增强前：
数据增强后：
可以看出使用数据增强技术之后，对模型的性能有了较为明显的提升，mAP50从0.927，提升到了0.938；mAP50-95从0.65提升到了0.669。因此，根据检测类型，选择合适的网络模型配合数据增强技术可以有效的提高模型的性能。
- 迁移学习对模型性能的提升——以原始模型为例
模型结构：168 layers
参数数量：3006038 parameters
计算性能：8.1 GFLOPs
训练时间：0.109小时
最终模型大小：6.3 MB
由此可见，迁移学习也对模型性能有较大的提升。
- 结果分析讨论
在上面进行的改进中，可以看到，不同的检测类别有不同的网络模型，通过找到合适的网络模型可以有效的提升模型在目标检测中的性能；同时，在样本量不足的情况下，数据增强技术也能够有效地提升模型的性能；最后，迁移学习中的预训练模型能够很好地辅助模型进行训练，从能提高模型的性能。
通过结合三种方法，最终能够得到一个性能相对较好的模型。只不过，对于不同的检测类别来说，探索的时间大不相同。在本例的实验中，由于是遥感图像小目标检测，难度相对来说较大，并且有一定的概率问题，所以时间较长（11天），并且还没有达到最好的效果。
当然上面提到的改进方法，只是选取的一部分，在实验中还有很多没有成功的案例（例如ghostNet等等）。如果想要达到最好的效果，应该多花费一些功夫在网络模型的改进上面，能够找到最适合自己的目标检测网络模型。因为目标的种类繁多，所以对于不同的目标肯定有不同的网络模型，所以我认为直接改进网络模型是最有效的办法，能够大大减少工作量。
