目标检测模型NanoDet(超轻量,速度很快)介绍和PyTorch版本实践

本文涉及的产品
实时计算 Flink 版,5000CU*H 3个月
检索分析服务 Elasticsearch 版,2核4GB开发者规格 1个月
智能开放搜索 OpenSearch行业算法版,1GB 20LCU 1个月
简介: YOLO、SSD、Fast R-CNN等模型在目标检测方面速度较快和精度较高,但是这些模型比较大,不太适合移植到移动端或嵌入式设备;轻量级模型 NanoDet-m,对单阶段检测模型三大模块(Head、Neck、Backbone)进行轻量化,目标加检测速度很快;模型文件大小仅几兆(小于4M)。

前言

YOLO、SSD、Fast R-CNN等模型在目标检测方面速度较快和精度较高,但是这些模型比较大,不太适合移植到移动端或嵌入式设备;轻量级模型 NanoDet-m,对单阶段检测模型三大模块(Head、Neck、Backbone)进行轻量化,目标加检测速度很快;模型文件大小仅几兆(小于4M)。

NanoDet作者开源代码地址:https://github.com/RangiLyu/nanodet  (致敬)

基于NanoDet项目进行小裁剪,专门用来实现Python语言、PyTorch 版本的代码地址:https://github.com/guo-pu/NanoDet-PyTorch

下载直接能使用,支持图片、视频文件、摄像头实时目标检测


 先看一下NanoDet目标检测的效果:

同时检测多辆汽车:

image.gif

查看多目标、目标之间重叠、同时存在小目标和大目标的检测效果:

image.gif


NanoDet 模型介绍

NanoDet 是一种 FCOS 式的单阶段 anchor-free 目标检测模型,它使用 ATSS 进行目标采样,使用 Generalized Focal Loss 损失函数执行分类和边框回归(box regression)。

1)NanoDet 模型性能

NanoDet-m模型和YoloV3-Tiny、YoloV4-Tiny作对比:

Model Resolution COCO mAP Latency(ARM 4xCore) FLOPS Params Model Size(ncnn bin)
NanoDet-m 320*320 20.6 10.23ms 0.72B 0.95M 1.8mb
NanoDet-m 416*416 21.7 16.44ms 1.2B 0.95M 1.8mb
YoloV3-Tiny 416*416 16.6 37.6ms 5.62B 8.86M 33.7mb
YoloV4-Tiny 416*416 21.7 32.81ms 6.96B 6.06M 23.0mb

备注:以上性能基于 ncnn 和麒麟 980 (4xA76+4xA55) ARM CPU 获得的。使用 COCO mAP (0.5:0.95) 作为评估指标,兼顾检测和定位的精度,在 COCO val 5000 张图片上测试,并且没有使用 Testing-Time-Augmentation。

NanoDet作者将 ncnn 部署到手机(基于 ARM 架构的 CPU 麒麟 980,4 个 A76 核心和 4 个 A55 核心)上之后跑了一下 benchmark,模型前向计算时间只要 10 毫秒左右,而 yolov3 和 v4 tiny 均在 30 毫秒的量级。在安卓摄像头 demo app 上,算上图片预处理、检测框后处理以及绘制检测框的时间,NanoDet 也能轻松跑到 40+FPS。

2)NanoDet 模型架构

image.gif

3)NanoDet损失函数

NanoDet 使用了李翔等人提出的 Generalized Focal Loss 损失函数。该函数能够去掉 FCOS 的 Centerness 分支,省去这一分支上的大量卷积,从而减少检测头的计算开销,非常适合移动端的轻量化部署。

image.gif

详细请参考:Generalized Focal Loss: Learning Qualified and Distributed Bounding Boxes for Dense Object Detection

4)NanoDet 优势

NanoDet 是一个速度超快和轻量级的移动端 Anchor-free 目标检测模型。该模型具备以下优势:

    • 超轻量级:模型文件大小仅几兆(小于4M——nanodet_m.pth);
    • 速度超快:在移动 ARM CPU 上的速度达到 97fps(10.23ms);
    • 训练友好:GPU 内存成本比其他模型低得多。GTX1060 6G 上的 Batch-size 为 80 即可运行;
    • 方便部署:提供了基于 ncnn 推理框架的 C++ 实现和 Android demo。

    基于PyTorch 实现NanoDet

    基于NanoDet项目进行小裁剪,专门用来实现Python语言、PyTorch 版本的代码地址:

    1)NanoDet目标检测效果

    1)检测出一只小鸟

    image.gif

    2)同时检测出四位少年

    image.gif

    3)在复杂街道中,检测出行人、汽车:

    image.gif

    通过测试发现NanoDet确实很快,但识别精度和效果比YOLOv4差不少的。

    下图是使用 YOLOv4检测的效果:

    文章链接:https://guo-pu.blog.csdn.net/article/details/109912838

    大家可以看到大部分的行人、汽车是被检测出来了,存在小部分没有被检测出来;

    image.gif

    看左上角的统计信息,能看到汽车检测到5辆,行人检测到14位,自行车检测到1辆,交通灯设备3台,太阳伞3把,手提包1个。

    2)环境参数

    测试环境参数

    系统:Windows       编程语言:Python 3.8            整合开发环境:Anaconda

    深度学习框架:PyTorch1.7.0+cu101 (torch>=1.3 即可)              开发代码IDE:PyCharm

    开发具体环境要求如下:

      • Cython
      • termcolor
      • numpy
      • torch>=1.3
      • torchvision
      • tensorboard
      • pycocotools
      • matplotlib
      • pyaml
      • opencv-python
      • tqdm

      通常测试感觉GPU加速(显卡驱动、cudatoolkit 、cudnn)、PyTorch、pycocotools相对难装一点

      Windows开发环境安装可以参考:

      安装cudatoolkit 10.1、cudnn7.6请参考 YOLO实践应用之搭建开发环境(Windows系统、Python 3.8、TensorFlow2.3版本)_yolo算法是什么环境-CSDN博客

      安装PyTorch请参考 Anaconda如何安装PyTorch?_conda安装torch包-CSDN博客

      安装pycocotools请参考 Windows以及Linux下Anaconda安装pycocotools_pycocotools-linux-CSDN博客

      3)体验NanoDet目标检测

      下载代码,打开工程

      先到githug下载代码,然后解压工程,然后使用PyCharm工具打开工程;

      githug代码下载地址:https://github.com/guo-pu/NanoDet-PyTorch

      说明:该代码是基于NanoDet项目进行小裁剪,专门用来实现Python语言、PyTorch 版本的代码

      NanoDet作者开源代码地址https://github.com/RangiLyu/nanodet  (致敬)

      使用PyCharm工具打开工程

      image.gif

      打开后的页面是这样的:

      image.gif

      【选择开发环境】

      文件(file)——>设置(setting)——>项目(Project)——>Project Interpreters   选择搭建的开发环境;

      image.gif

      然后先点击Apply,等待加载完成,再点击OK;

      进行目标检测

      具体命令请参考:

      '''目标检测-图片'''
      python detect_main.py image --config ./config/nanodet-m.yml --model model/nanodet_m.pth --path  street.png
      '''目标检测-视频文件'''
      python detect_main.py video --config ./config/nanodet-m.yml --model model/nanodet_m.pth --path  test.mp4
      '''目标检测-摄像头'''
      python detect_main.py webcam --config ./config/nanodet-m.yml --model model/nanodet_m.pth --path  0

      image.gif

      【目标检测-图片】

      image.gif


      【目标检测-视频文件】

      检测的是1080*1920的图片,很流畅毫不卡顿,就是目前识别精度不太高

      image.gif


      4)调用模型的核心代码

      detect_main.py 代码:

      import cv2
      import os
      import time
      import torch
      import argparse
      from nanodet.util import cfg, load_config, Logger
      from nanodet.model.arch import build_model
      from nanodet.util import load_model_weight
      from nanodet.data.transform import Pipeline
      image_ext = ['.jpg', '.jpeg', '.webp', '.bmp', '.png']
      video_ext = ['mp4', 'mov', 'avi', 'mkv']
      '''目标检测-图片'''
      # python detect_main.py image --config ./config/nanodet-m.yml --model model/nanodet_m.pth --path  street.png
      '''目标检测-视频文件'''
      # python detect_main.py video --config ./config/nanodet-m.yml --model model/nanodet_m.pth --path  test.mp4
      '''目标检测-摄像头'''
      # python detect_main.py webcam --config ./config/nanodet-m.yml --model model/nanodet_m.pth --path  0
      def parse_args():
          parser = argparse.ArgumentParser()
          parser.add_argument('demo', default='image', help='demo type, eg. image, video and webcam')
          parser.add_argument('--config', help='model config file path')
          parser.add_argument('--model', help='model file path')
          parser.add_argument('--path', default='./demo', help='path to images or video')
          parser.add_argument('--camid', type=int, default=0, help='webcam demo camera id')
          args = parser.parse_args()
          return args
      class Predictor(object):
          def __init__(self, cfg, model_path, logger, device='cuda:0'):
              self.cfg = cfg
              self.device = device
              model = build_model(cfg.model)
              ckpt = torch.load(model_path, map_location=lambda storage, loc: storage)
              load_model_weight(model, ckpt, logger)
              self.model = model.to(device).eval()
              self.pipeline = Pipeline(cfg.data.val.pipeline, cfg.data.val.keep_ratio)
          def inference(self, img):
              img_info = {}
              if isinstance(img, str):
                  img_info['file_name'] = os.path.basename(img)
                  img = cv2.imread(img)
              else:
                  img_info['file_name'] = None
              height, width = img.shape[:2]
              img_info['height'] = height
              img_info['width'] = width
              meta = dict(img_info=img_info,
                          raw_img=img,
                          img=img)
              meta = self.pipeline(meta, self.cfg.data.val.input_size)
              meta['img'] = torch.from_numpy(meta['img'].transpose(2, 0, 1)).unsqueeze(0).to(self.device)
              with torch.no_grad():
                  results = self.model.inference(meta)
              return meta, results
          def visualize(self, dets, meta, class_names, score_thres, wait=0):
              time1 = time.time()
              self.model.head.show_result(meta['raw_img'], dets, class_names, score_thres=score_thres, show=True)
              print('viz time: {:.3f}s'.format(time.time()-time1))
      def get_image_list(path):
          image_names = []
          for maindir, subdir, file_name_list in os.walk(path):
              for filename in file_name_list:
                  apath = os.path.join(maindir, filename)
                  ext = os.path.splitext(apath)[1]
                  if ext in image_ext:
                      image_names.append(apath)
          return image_names
      def main():
          args = parse_args()
          torch.backends.cudnn.enabled = True
          torch.backends.cudnn.benchmark = True
          load_config(cfg, args.config)
          logger = Logger(-1, use_tensorboard=False)
          predictor = Predictor(cfg, args.model, logger, device='cuda:0')
          logger.log('Press "Esc", "q" or "Q" to exit.')
          if args.demo == 'image':
              if os.path.isdir(args.path):
                  files = get_image_list(args.path)
              else:
                  files = [args.path]
              files.sort()
              for image_name in files:
                  meta, res = predictor.inference(image_name)
                  predictor.visualize(res, meta, cfg.class_names, 0.35)
                  ch = cv2.waitKey(0)
                  if ch == 27 or ch == ord('q') or ch == ord('Q'):
                      break
          elif args.demo == 'video' or args.demo == 'webcam':
              cap = cv2.VideoCapture(args.path if args.demo == 'video' else args.camid)
              while True:
                  ret_val, frame = cap.read()
                  meta, res = predictor.inference(frame)
                  predictor.visualize(res, meta, cfg.class_names, 0.35)
                  ch = cv2.waitKey(1)
                  if ch == 27 or ch == ord('q') or ch == ord('Q'):
                      break
      if __name__ == '__main__':
          main()

      image.gif

      希望对你有帮助。( •̀ ω •́ )✧

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