一、本文介绍
本文记录的是基于BiFPN结构的YOLOv11颈部网络改进方法研究。在YOLOv11的Neck颈部网络中使用的FPN+PAN的结构，但是FPN在融合不同输入特征时简单地将它们相加，没有区分不同特征的重要性；PAN虽然增加了额外的自底向上路径聚合网络，但参数和计算量较大。==为了解决这些问题，本文将颈部结构换成BiFPN，利用多尺度特征融合网络，使模型既能考虑不同输入特征的重要性，又能提高模型效率。==
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二、BiFPN介绍
EfficientDet： 可扩展的高效物体检测
BiFPN（加权双向特征金字塔网络）是该论文中提出的一种用于高效多尺度特征融合的网络结构，其设计原理和优势如下：
2.1、BiFPN原理
问题 formulation：多尺度特征融合的目标是聚合不同分辨率的特征，给定多尺度特征列表$\overrightarrow{P}{in} = (P{in}^1, P{in}^2, \ldots)$，其中$P{in}^i$代表第$i$级的特征，目标是找到一个变换$f$，使得$\overrightarrow{P}{out} = f(\overrightarrow{P}{in})$。以传统的
FPN为例，它以自上而下的方式聚合多尺度特征，如$P{7}^{out} = Conv(P{7}^{in})$，$P{6}^{out} = Conv(P{6}^{in} + Resize(P_{7}^{out}))$等。2.1.1 跨尺度连接
为了改进传统
FPN单向信息流的局限性，PANet增加了自底向上的路径聚合网络，其他研究也进一步探讨了跨尺度连接。通过研究FPN、PANet和NAS-FPN这三个网络的性能和效率，本文对跨尺度连接进行了优化：- 移除只有一个输入边缘的节点，因为这样的节点对旨在融合不同特征的特征网络贡献较小，从而得到简化的双向网络。
- 如果原始输入和输出节点在同一级别，添加一个额外的边缘，以便在不增加太多成本的情况下融合更多特征。
- 将每个双向（自上而下和自底向上）路径视为一个特征网络层，并多次重复该层以实现更多高级特征融合，从而命名为
双向特征金字塔网络（BiFPN）。2.1.2 加权特征融合
当融合不同分辨率的特征时，常见的方法是先将它们调整到相同分辨率然后相加，但这种方法没有区分不同输入特征的重要性。为了解决这个问题，提出为每个输入添加一个额外的权重，让网络学习每个输入特征的重要性，并考虑了三种加权融合方法：- Unbounded fusion：$O = \sum{i} w{i} \cdot I{i}$，其中$w{i}$是可学习的权重，可以是标量（每个特征）、向量（每个通道）或多维张量（每个像素）。通过权重归一化来限制每个权重的值范围，以避免训练不稳定。
- Softmax - based fusion：$O = \sum{i} \frac{e^{w{i}}}{\sum{j} e^{w{j}}} \cdot I_{i}$，对每个权重应用Softmax，使所有权重归一化为0到1之间的概率，表示每个输入的重要性。但在GPU硬件上会导致显著的减速。
- Fast normalized fusion：$O = \sum{i} \frac{w{i}}{\epsilon + \sum{j} w{j}} \cdot I{i}$，通过在每个$w{i}$后应用Relu确保$w_{i} \geq 0$，$\epsilon = 0.0001$是一个小值以避免数值不稳定。这种方法的每个归一化权重的值也落在0和1之间，且没有Softmax操作，因此更高效。
最终的BiFPN集成了双向跨尺度连接和快速归一化融合。例如，对于图2（d）中BiFPN在级别6的两个融合特征，计算方式为：
- $P_{6}^{td} = Conv(\frac{w_{1} \cdot P_{6}^{in} + w_{2} \cdot Resize(P_{7}^{in})}{w_{1} + w_{2} + \epsilon})$
- $P_{6}^{out} = Conv(\frac{w_{1}' \cdot P_{6}^{in} + w_{2}' \cdot P_{6}^{td} + w_{3}' \cdot Resize(P_{5}^{out})}{w_{1}' + w_{2}' + w_{3}' + \epsilon})$
为了进一步提高效率，使用深度可分离卷积进行特征融合，并在每次卷积后添加批量归一化和激活。
2.2、优势
- 通过优化跨尺度连接和加权特征融合，
BiFPN能够更好地融合多尺度特征，提高特征的表达能力。 - 与其他特征网络相比，
BiFPN在实现相似精度的情况下，使用更少的参数和计算量，提高了模型效率。 - 快速归一化融合方法与Softmax-based融合相比，具有非常相似的学习行为和精度，但在GPU上运行速度更快。
论文：https://arxiv.org/pdf/1911.09070.pdf
源码： https://github.com/google/automl/tree/master/efficientdet
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：
