[人工智能]YOLOv6：又快又准的目标检测框架开源啦

项目地址：https://github.com/meituan/YOLOv6
YOLOv6 是美团视觉智能部研发的一款目标检测框架，致力于工业应用。本框架同时专注于检测的精度和推理效率，在工业界常用的尺寸模型中：YOLOv6-nano 在 COCO 上精度可达 35.0% AP，在 T4 上推理速度可达 1242 FPS；YOLOv6-s 在 COCO 上精度可达 43.1% AP，在 T4 上推理速度可达 520 FPS。在部署方面，YOLOv6 支持 GPU（TensorRT）、CPU（OPENVINO）、ARM（MNN、TNN、NCNN）等不同平台的部署，极大地简化工程部署时的适配工作。

一、论文概要

目标检测作为计算机视觉领域的一项基础性技术，在工业界得到了广泛的应用，其中 YOLO 系列算法因其较好的综合性能，逐渐成为大多数工业应用时的首选框架。至今，业界已衍生出许多 YOLO 检测框架，其中以 YOLOv5、YOLOX 和 PP-YOLOE 最具代表性，但在实际使用中，发现上述框架在速度和精度方面仍有很大的提升的空间。基于此，通过研究并借鉴了业界已有的先进技术，开发了一套新的目标检测框架——YOLOv6。该框架支持模型训练、推理及多平台部署等全链条的工业应用需求，并在网络结构、训练策略等算法层面进行了多项改进和优化，在 COCO 数据集上，YOLOv6 在精度和速度方面均超越其他同体量算法，相关结果如下图 1 所示：

YOLOv6 主要在 Backbone、Neck、Head 以及训练策略等方面进行了诸多的改进：
1、统一设计了更高效的 Backbone 和 Neck ：受到硬件感知神经网络设计思想的启发，基于 RepVGG style设计了重参数化、更高效的骨干网络 EfficientRep Backbone 和 Rep-PAN Neck。
2、优化设计了更简洁有效的 Efficient Decoupled Head，在维持精度的同时，进一步降低了一般解耦头带来的额外延时开销。
3、在训练策略上，采用 Anchor-free 无锚范式，同时辅以 SimOTA标签分配策略以及 SIoU边界框回归损失来进一步提高检测精度。

二、实现细节

Hardware-friendly 的骨干网络设计
YOLOv5/YOLOX 使用的 Backbone 和 Neck 都基于 CSPNet搭建，采用了多分支的方式和残差结构。对于 GPU 等硬件来说，这种结构会一定程度上增加延时，同时减小内存带宽利用率。下图 2 为计算机体系结构领域中的 Roofline Model介绍图，显示了硬件中计算能力和内存带宽之间的关联关系。

于是，基于硬件感知神经网络设计的思想，对 Backbone 和 Neck 进行了重新设计和优化。该思想基于硬件的特性、推理框架 / 编译框架的特点，以硬件和编译友好的结构作为设计原则，在网络构建时，综合考虑硬件计算能力、内存带宽、编译优化特性、网络表征能力等，进而获得又快又好的网络结构。对上述重新设计的两个检测部件，我们在 YOLOv6 中分别称为 EfficientRep Backbone 和 Rep-PAN Neck，其主要贡献点在于：
1.引入了 RepVGG style 结构。
2. 基于硬件感知思想重新设计了 Backbone 和 Neck。
RepVGG Style 结构是一种在训练时具有多分支拓扑，而在实际部署时可以等效融合为单个 3x3 卷积的一种可重参数化的结构（融合过程如下图 3 所示）。通过融合成的 3x3 卷积结构，可以有效利用计算密集型硬件计算能力（比如 GPU），同时也可获得 GPU/CPU 上已经高度优化的 NVIDIA cuDNN 和 Intel MKL 编译框架的帮助。实验表明，通过上述策略，YOLOv6 减少了在硬件上的延时，并显著提升了算法的精度，让检测网络更快更强。以 nano 尺寸模型为例，对比 YOLOv5-nano 采用的网络结构，本方法在速度上提升了 21%，同时精度提升 3.6% AP。

EfficientRep Backbone：在 Backbone 设计方面，基于以上 Rep 算子设计了一个高效的 Backbone。相比于 YOLOv5 采用的 CSP-Backbone，该 Backbone 能够高效利用硬件（如 GPU）算力的同时，还具有较强的表征能力。下图 4 为 EfficientRep Backbone 具体设计结构图，我们将 Backbone 中 stride=2 的普通 Conv 层替换成了 stride=2 的 RepConv 层。同时，将原始的 CSP-Block 都重新设计为 RepBlock，其中 RepBlock 的第一个 RepConv 会做 channel 维度的变换和对齐。另外，还将原始的 SPPF 优化设计为更加高效的 SimSPPF。

Rep-PAN：在 Neck 设计方面，为了让其在硬件上推理更加高效，以达到更好的精度与速度的平衡，我们基于硬件感知神经网络设计思想，为 YOLOv6 设计了一个更有效的特征融合网络结构。Rep-PAN 基于 PAN 拓扑方式，用 RepBlock 替换了 YOLOv5 中使用的 CSP-Block，同时对整体 Neck 中的算子进行了调整，目的是在硬件上达到高效推理的同时，保持较好的多尺度特征融合能力（Rep-PAN 结构图如下图 5 所示）。

2.2 更简洁高效的 Decoupled Head
在 YOLOv6 中，采用了解耦检测头（Decoupled Head）结构，并对其进行了精简设计。原始 YOLOv5 的检测头是通过分类和回归分支融合共享的方式来实现的，而 YOLOX 的检测头则是将分类和回归分支进行解耦，同时新增了两个额外的 3x3 的卷积层，虽然提升了检测精度，但一定程度上增加了网络延时。因此，对解耦头进行了精简设计，同时综合考虑到相关算子表征能力和硬件上计算开销这两者的平衡，采用 Hybrid Channels 策略重新设计了一个更高效的解耦头结构，在维持精度的同时降低了延时，缓解了解耦头中 3x3 卷积带来的额外延时开销。通过在 nano 尺寸模型上进行消融实验，对比相同通道数的解耦头结构，精度提升 0.2% AP 的同时，速度提升 6.8%。

2.3 更有效的训练策略
为了进一步提升检测精度，作者吸收借鉴了学术界和业界其他检测框架的先进研究进展：Anchor-free 无锚范式 、SimOTA 标签分配策略以及 SIoU 边界框回归损失。
Anchor-free 无锚范式
YOLOv6 采用了更简洁的 Anchor-free 检测方法。由于 Anchor-based 检测器需要在训练之前进行聚类分析以确定最佳 Anchor 集合，这会一定程度提高检测器的复杂度；同时，在一些边缘端的应用中，需要在硬件之间搬运大量检测结果的步骤，也会带来额外的延时。而 Anchor-free 无锚范式因其泛化能力强，解码逻辑更简单，在近几年中应用比较广泛。
经过对 Anchor-free 的实验调研，相较于 Anchor-based 检测器的复杂度而带来的额外延时，Anchor-free 检测器在速度上有 51% 的提升。
SimOTA 标签分配策略
为了获得更多高质量的正样本，YOLOv6 引入了 SimOTA 算法动态分配正样本，进一步提高检测精度。YOLOv5 的标签分配策略是基于 Shape 匹配，并通过跨网格匹配策略增加正样本数量，从而使得网络快速收敛，但是该方法属于静态分配方法，并不会随着网络训练的过程而调整。近年来，也出现不少基于动态标签分配的方法，此类方法会根据训练过程中的网络输出来分配正样本，从而可以产生更多高质量的正样本，继而又促进网络的正向优化。
例如，OTA通过将样本匹配建模成最佳传输问题，求得全局信息下的最佳样本匹配策略以提升精度，但 OTA 由于使用了 Sinkhorn-Knopp 算法导致训练时间加长，而 SimOTA算法使用 Top-K 近似策略来得到样本最佳匹配，大大加快了训练速度。故 YOLOv6 采用了 SimOTA 动态分配策略，并结合无锚范式，在 nano 尺寸模型上平均检测精度提升 1.3% AP。
SIoU 边界框回归损失
为了进一步提升回归精度，YOLOv6 采用了 SIoU 边界框回归损失函数来监督网络的学习。目标检测网络的训练一般需要至少定义两个损失函数：分类损失和边界框回归损失，而损失函数的定义往往对检测精度以及训练速度产生较大的影响。
近年来，常用的边界框回归损失包括 IoU、GIoU、CIoU、DIoU loss 等等，这些损失函数通过考虑预测框与目标框之前的重叠程度、中心点距离、纵横比等因素来衡量两者之间的差距，从而指导网络最小化损失以提升回归精度，但是这些方法都没有考虑到预测框与目标框之间方向的匹配性。SIoU 损失函数通过引入了所需回归之间的向量角度，重新定义了距离损失，有效降低了回归的自由度，加快网络收敛，进一步提升了回归精度。通过在 YOLOv6s 上采用 SIoU loss 进行实验，对比 CIoU loss，平均检测精度提升 0.3% AP。

三、实验结果

经过以上优化策略和改进，YOLOv6 在多个不同尺寸下的模型均取得了卓越的表现。下表 1 展示了 YOLOv6-nano 的消融实验结果，从实验结果可以看出，我们自主设计的检测网络在精度和速度上都带来了很大的增益。

下表 2 展示了 YOLOv6 与当前主流的其他 YOLO 系列算法相比较的实验结果。从表格中可以看到：

1、YOLOv6-nano 在 COCO val 上 取得了 35.0% AP 的精度，同时在 T4 上使用 TRT FP16 batchsize=32 进行推理，可达到 1242FPS 的性能，相较于 YOLOv5-nano 精度提升 7% AP，速度提升 85%。
2、YOLOv6-tiny 在 COCO val 上 取得了 41.3% AP 的精度， 同时在 T4 上使用 TRT FP16 batchsize=32 进行推理，可达到 602FPS 的性能，相较于 YOLOv5-s 精度提升 3.9% AP，速度提升 29.4%。
3、YOLOv6-s 在 COCO val 上 取得了 43.1% AP 的精度， 同时在 T4 上使用 TRT FP16 batchsize=32 进行推理，可达到 520FPS 的性能，相较于 YOLOX-s 精度提升 2.6% AP，速度提升 38.6%；相较于 PP-YOLOE-s 精度提升 0.4% AP 的条件下，在 T4 上使用 TRT FP16 进行单 batch 推理，速度提升 71.3%。

四、总结与展望

本文介绍了美团视觉智能部在目标检测框架方面的优化及实践经验，针对 YOLO 系列框架，在训练策略、主干网络、多尺度特征融合、检测头等方面进行了思考和优化，设计了新的检测框架 - YOLOv6，初衷来自于解决工业应用落地时所遇到的实际问题。

在打造 YOLOv6 框架的同时，探索和优化了一些新的方法，例如基于硬件感知神经网络设计思想自研了 EfficientRep Backbone、Rep-Neck 和 Efficient Decoupled Head，同时也吸收借鉴了学术界和工业界的一些前沿进展和成果，例如 Anchor-free、SimOTA 和 SIoU 回归损失。在 COCO 数据集上的实验结果显示，YOLOv6 在检测精度和速度方面都属于佼佼者。未来我们会持续建设和完善 YOLOv6 生态，主要工作包括以下几个方面：

1. 完善 YOLOv6 全系列模型，持续提升检测性能。
2. 在多种硬件平台上，设计硬件友好的模型。
3. 支持 ARM 平台部署以及量化蒸馏等全链条适配。
4. 横向拓展和引入关联技术，如半监督、自监督学习等等。
5. 探索 YOLOv6 在更多的未知业务场景上的泛化性能。