目标检测模型NanoDet（超轻量，速度很快）介绍和PyTorch版本实践
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· 2022-02-28
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）
先看一下NanoDet目标检测的效果：
同时检测多辆汽车：
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：
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：
ModelResolutionCOCO mAPLatency(ARM 4xCore)FLOPSParams|Model Size(ncnn bin) |------ NanoDet-m320*32020.610.23ms0.72B0.95M|1.8mb NanoDet-m416*41621.716.44ms1.2B0.95M|1.8mb YoloV3-Tiny416*41616.637.6ms5.62B8.86M|33.7mb YoloV4-Tiny416*41621.732.81ms6.96B6.06M|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
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。
详细请参考：
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
2）同时检测出四位少年
3）在复杂街道中，检测出行人、汽车：
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：
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；
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
安装PyTorch请参考
安装pycocotools请参考
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：
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： （致敬）
使用PyCharm工具打开工程
打开后的页面是这样的：
【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；
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
【目标检测-图片】
【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
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()
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