YOLOv9：一个关注信息丢失问题的目标检测

本文来自公众号“AI大道理”

当前的深度学习方法关注的是如何设计最合适的目标函数，使模型的预测结果最接近地面的真实情况。同时，必须设计一个适当的体系结构，以方便获取足够的预测信息。

现有方法忽略了一个事实，即输入数据在逐层进行特征提取和空间变换时，会丢失大量的信息。

YOLOv9给出了解决方案。

YOLOv9前身是YOLOv7，这是同一个团队。

1、YOLOv9的改进

在反向传播中深层特征层由于更加靠近标签，所以参数更容易更新，而浅层（离输入图片近的对方）由于山高皇帝远比较难以更新。怎么办？YOLOv9左右开弓，建立辅助头。右边是熟悉的类似yolov8一样的结构，是标准的neck+head结构。

左边则新建一个backbone，乱七八糟一堆neck，加上head作为辅助头。有什么用？backbone一般来说需要从右边的检测头经过neck再慢慢回传，现在YOLOv9有了左边的分支，左边的backbone离检测头要近很多，从这里回传又快损失又少。这个backbone和主路的backbone一模一样，共享参数。当然这么做只是在训练的时候更好的训练，一旦到了推理和测试阶段，辅助头果断抛弃，只留下标准的右边的结构即可。

这个思想之前在检测头部分已经有了，只不过那时候是为了更好的训练检测头，现在是为了更好的训练浅层部分。

（这个思想怎么这么熟悉，和resnet有异曲同工之妙）

 

 

 

 

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核心改进两点：

• PGI（可编程梯度信息）
• GLEAN（广义高效层聚合网络）

2、PGI（可编程梯度信息）

在深度网络的训练过程中，由于层与层之间的复杂映射，有用的信息可能会逐渐丢失，这会导致梯度信号变弱，最终影响网络的学习效率和预测准确性。PGI是一种旨在解决深度网络中的信息瓶颈问题的策略，它可以为目标任务提供完整的输入信息来计算目标函数，从而获得可靠的梯度信息来更新网络权值。

YOLOv9的PGI技术包括辅助可逆分支和多级辅助信息，这些设计有助于在网络的深层中保留更多的信息，生成更可靠的梯度，从而在训练过程中确保了更准确的目标与输入之间的关联。

 

 

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（可编程梯度信息的解释：一个高大上的名字，无非就是想说你可以随意回传到哪一层，你可以自己决定，即可编程，主要还是在于这个思想）PAN (Path Aggregation Network):这种结构通过聚合不同路径的信息来缓解信息瓶颈问题，但仍然存在信息丢失的问题。

RevCol (Reversible Columns): 这种结构旨在保持信息流的完整性，通过可逆列来避免信息的损失，但代价是计算成本较高。

深度监督 (Deep Supervision): 这个方法通过在网络的不同深度层添加预测头来实现辅助监督，这可以帮助网络学习到多层次的辅助信息，但可能导致信息损坏。

可编程梯度信息 (PGI): 这是论文提出的新方法，它通过辅助可逆分支产生可靠的梯度，以供主分支使用，从而控制主分支在多个语义层次上的学习，这有助于更好地保留语义信息并优化梯度流。

图中的蓝色块代表神经网络中的层，灰色块代表预测头或辅助分支，虚线框高亮了每种方法的关键特征。

3、GLEAN（广义高效层聚合网络）

 

 

 

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广义高效层聚合网络（GELAN）是一种新颖的架构，它结合了 CSPNet 和 ELAN 原理来进行梯度路径规划。它优先考虑轻量级设计、快速推理和准确性。GELAN 通过允许任何计算块来扩展 ELAN 的层聚合，从而确保灵活性。

该架构旨在实现高效的特征聚合，同时在速度和准确性方面保持有竞争力的性能。GELAN的整体设计融合了CSPNet的跨级部分连接和ELAN的高效层聚合，以实现有效的梯度传播和特征聚合。

GELAN是将CSPNet和ELAN的特点结合在一起，并扩展以支持任何计算块的新型网络架构。

CSPNet: 这种架构包括一个分裂-合并的过程，它通过在网络的不同层之间分裂和合并特征来提高性能和效率。

ELAN: 这是一种更进一步的架构，它在CSPNet的基础上增加了多个卷积层（conv）的堆叠，每个卷积层都会进行特征转换，之后再进行合并。

GELAN: 提出的GELAN架构不仅模仿了CSPNet的分裂-合并机制，还扩展了ELAN的设计，使其可以使用任何类型的计算块，而不仅限于卷积层。

这种设计增加了网络的灵活性，使其能够根据不同的应用需求选择最合适的计算块。

 

4、其他

backbone：主要就是多了一条backhone，backbone中使用了RepNCSPELAN4模块。

neck/head：主要是增加了辅助头。

loss function：loss为DFL Loss + CIoU Loss

正负样本匹配策略：为TaskAlign样本匹配

 

5、总结

YOLOv9结合了PGI（可编程梯度信息）和GELAN（广义高效层聚合网络）技术来克服信息瓶颈和深度监督在轻量级网络中的不适用性问题。

YOLOv9的PGI技术包括辅助可逆分支和多级辅助信息，这些设计有助于在网络的深层中保留更多的信息，生成更可靠的梯度，从而在训练过程中确保了更准确的目标与输入之间的关联。

（左边的辅助头可以千变万化，又是一个魔改的方向，目测要yolov1000000......）

 

 

 

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