一、本文介绍
本文记录的是基于MobileNet V4的YOLOv11目标检测轻量化改进方法研究。MobileNet V4通过整合UIB、Mobile MQA以及优化的NAS策略，能够在在不降低性能指标的前提下，降低计算成本。本文配置了原论文中MNv4-Conv-S、MNv4-Conv-M、MNv4-Conv-L、MNv4-Hybrid-M和MNv4-Hybrid-L五种模型，以满足不同的需求。
| 模型 | 参数量 | 计算量 | 推理速度 |
|---|---|---|---|
| YOLOv11m | 20.0M | 67.6GFLOPs | 3.5ms |
| Improved | 13.0M | 30.4GFLOPs | 2.2ms |
专栏目录：YOLOv11改进目录一览 | 涉及卷积层、轻量化、注意力、损失函数、Backbone、SPPF、Neck、检测头等全方位改进
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二、MoblieNet V4设计原理
MobileNetV4: Universal Models for the Mobile Ecosystem
MobileNetV4是一系列适用于移动生态系统的通用高效模型。以下将详细介绍其轻量化设计的出发点、原理、结构和优势：
2.1 设计出发点
- 平衡精度与效率：移动设备的计算资源有限，需要在保证模型精度的同时提高计算效率，以实现快速、实时和交互式的应用体验，同时避免通过公共网络传输私人数据。
- 硬件通用性：针对不同的移动硬件平台（如CPUs、DSPs、GPUs以及各种加速器），设计出在性能上普遍高效的模型，使其能在各种设备上都能良好运行。
2.2 设计原理
- 基于Roofline模型的分析
- 理解硬件瓶颈：Roofline模型通过分析模型的运算强度（LayerMACsi/(WeightBytesi + ActivationBytesi)）与硬件的处理器和内存系统的理论极限，来确定模型在不同硬件上是受内存带宽还是计算能力的限制。
- 优化策略：根据不同硬件的特点（如低RP硬件上减少MACs以提高速度，高RP硬件上利用数据移动瓶颈小的特点增加模型容量），设计模型结构，使MobileNetV4在从0到500 MACs/byte的RP范围内都能达到接近Pareto最优的性能。
- 注意力机制优化
- 考虑运算强度：由于加速器的计算能力大幅提高但内存带宽增长不成比例，所以在设计注意力机制时考虑运算强度，即算术运算与内存访问的比率。
- MQA机制：
Mobile MQA通过共享键和值来减少内存带宽需求，提高运算强度，同时还采用了如不对称空间下采样等策略进一步提高效率。
2.3 结构
2.3.1 通用倒置瓶颈（UIB）模块
- 结构特点：
UIB模块是一种统一且灵活的结构，它扩展了MobileNet的倒置瓶颈（IB）模块，在扩展层之前和扩展与投影层之间引入了可选的深度可分离卷积（DW）。它可以统一Inverted Bottleneck (IB)、ConvNext、Feed Forward Network (FFN)以及一种新的Extra Depthwise (ExtraDW)变体。 - 模块实例化：
UIB模块中的两个可选深度卷积有四种可能的实例化方式，分别对应不同的权衡。例如，ExtraDW可以增加网络深度和感受野，结合了ConvNext-Like和IB的优点。
2.3.2 Mobile MQA模块
- 基础结构：是一种基于注意力机制的模块，它简化了
多头注意力（MHSA）机制，==通过共享键和值来减少内存带宽需求。==- 优化结构：进一步采用不对称空间下采样（SRA），在优化后的MQA块中对关键和价值分辨率进行下采样，同时保留高分辨率查询，提高了模型效率。
2.4 优势
- 性能优势
- Pareto最优：通过整合
UIB、Mobile MQA以及优化的NAS策略，MobileNetV4模型在移动CPUs、DSPs、GPUs以及各种加速器上大多达到了Pareto最优性能，即在不降低其他性能指标的情况下，某一性能指标无法进一步提升。 - 跨硬件一致性：在不同硬件平台上表现出较为一致的性能，这是其他测试模型所不具备的。例如，在ImageNet - 1K分类任务中，MNv4 - Conv - M比MobileOne - S4和Fast ViT - S12快50%以上，且在可比延迟下比MobileNetV2的Top - 1准确率高1.5%。
- Pareto最优：通过整合
- 效率优势
- 计算效率：
UIB模块提供了空间和通道混合的灵活性，可选择扩展感受野，增强了计算效率。例如，ExtraDW变体可以在不显著增加计算成本的情况下增加网络深度和感受野。 - 推理速度：
Mobile MQA模块在移动加速器上实现了超过39%的推理速度提升，大大提高了模型的运行效率。
- 计算效率：
- 模型构建优势
- NAS优化：采用了优化的神经网络架构搜索（NAS）策略，包括两阶段搜索（粗粒度搜索和细粒度搜索）以及使用离线蒸馏数据集，提高了搜索效率和模型质量，能够创建出比以前的先进模型更大的模型。
- 蒸馏技术：引入了一种新的蒸馏技术，通过动态混合不同增强策略的数据集以及添加平衡的类内数据，进一步提高了模型的准确性和泛化能力。例如，MNv4 - Hybrid - Large模型在ImageNet - 1K上的准确率达到87%，同时在Pixel 8 EdgeTPU上的运行时间仅为3.8ms。
论文：https://arxiv.org/pdf/2404.10518
源码：https://github.com/tensorflow/models/blob/master/official/vision/modeling/backbones/mobilenet.py三、实现代码及YOLOv11修改步骤
模块完整介绍、个人总结、实现代码、模块改进、二次创新以及各模型添加步骤参考如下地址：
