物体检测-系列教程20：YOLOV5 源码解析10 （Model类前向传播、forward_once函数、_initialize_biases函数）

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14、Model类

14.2 前向传播

    def forward(self, x, augment=False, profile=False):if augment:img_size = x.shape[-2:]  # height, widths = [1, 0.83, 0.67]  # scalesf = [None, 3, None]  # flips (2-ud, 3-lr)y = []  # outputsfor si, fi in zip(s, f):xi = scale_img(x.flip(fi) if fi else x, si)yi = self.forward_once(xi)[0]  # forwardyi[..., :4] /= si  # de-scaleif fi == 2:yi[..., 1] = img_size[0] - yi[..., 1]  # de-flip udelif fi == 3:yi[..., 0] = img_size[1] - yi[..., 0]  # de-flip lry.append(yi)return torch.cat(y, 1), None  # augmented inference, trainelse:return self.forward_once(x, profile)  # single-scale inference, train

这段代码是forward方法的实现，它定义了模型的前向传播过程，支持正常和增强两种推理模式：

1. 前向传播函数，输入x，是否进行数据增强augment，是否分析性能profile
2. 是否使用数据增强
3. img_size ，获取输入图像的长宽
4. s，定义缩放尺度
5. f，定义翻转模式，这里None表示不翻转，3表示左右翻转
6. y，初始化输出列表
7. 使用zip函数将尺度因子列表s和翻转指示列表f组合起来，然后遍历每一对尺度因子和翻转指示
8. xi，如果fi不为None，先根据fi的值对图像进行翻转，然后调用scale_img函数根据si的值缩放处理图像；否则直接调用scale_img函数根据si的值缩放处理图像
9. yi，将xi进行一次前向传播，取第一个输出
10. 对输出yi的前四个维度进行缩放调整，以恢复到原始的尺度。这通常是对边界框坐标的调整
11. 如果使用了上下翻转
12. 则调整y的坐标
13. 如果使用了左右翻转
14. 则调整x坐标
15. 将处理后的输出添加到列表
16. 将list y的所有输出按照第一个维度进行拼接
17. 如果在当前循环中没有使用数据增强
18. 直接进行一次正常的前向传播

前向传播方法，包括了一个可选的图像增强步骤。在增强模式下，通过对输入图像应用不同的尺度和翻转，生成多个变体，对每个变体单独进行前向传播，并对输出进行调整以适应原始图像的尺寸和方向，最后将所有变体的输出合并。这种方法可以增加模型的泛化能力，因为它让模型在训练时见到更多的数据变化。如果不进行图像增强，它将执行一次标准的前向传播。通过这种设计，模型可以更灵活地应对不同的输入和训练需求

14.3 forward_once函数

    def forward_once(self, x, profile=False):y, dt = [], []  # outputsfor m in self.model:if m.f != -1:  # if not from previous layerx = y[m.f] if isinstance(m.f, int) else [x if j == -1 else y[j] for j in m.f]if profile:try:import thopo = thop.profile(m, inputs=(x,), verbose=False)[0] / 1E9 * 2  # FLOPSexcept:o = 0t = time_synchronized()for _ in range(10):_ = m(x)dt.append((time_synchronized() - t) * 100)print('%10.1f%10.0f%10.1fms %-40s' % (o, m.np, dt[-1], m.type))x = m(x)  # runy.append(x if m.i in self.save else None)  # save outputif profile:print('%.1fms total' % sum(dt))return x

1. forward_once函数，输入和forward函一样
2. y, dt ，初始化两个空列表，y用于存储每一层的输出，dt用于在性能分析模式下存储每一层的执行时间
3. 遍历模型的每一层
4. 如果当前层的输入不是来自上一层的输出
5. 如果m.f是整数，则直接从y中获取对应的层输出作为输入。如果m.f是一个列表，则根据列表中的索引从y中选择输入，如果索引为-1，则使用原始输入x
6. 是否开启性能分析模式
7. try
8. 导入thop库，用于计算浮点运算数(FLOPS)
9. o，使用thop.profile计算当前层m的FLOPS，结果除以1E9转换为GigaFLOPS，并乘以2。这里假设thop.profile返回的是一个元组，其第一个元素是所需的FLOPS
10. 如果尝试执行失败
11. 则将o（FLOPS）设置为0
12. t，调用time_synchronized函数，获取当前精确的时间
13. 循环10次
14. 为了稳定测量时间，通过多次执行减少偶然误差
15. 调用time_synchronized函数计算执行当前层操作的总时间，并将其添加到dt列表中
16. 打印当前层的FLOPS、参数数量、执行时间和层类型。为性能分析提供详细信息
17. 执行当前层的前向传播，并更新x为该层的输出
18. 如果当前层的索引m.i在保存列表self.save中，则将输出x保存到y列表中；否则，保存None. 这样做可以减少内存占用，只保存那些后续步骤中需要的层的输出
19. 再次检查是否开启了性能分析模式。这个检查是为了在性能分析完成后打印总的执行时间
20. 如果开启了性能分析，计算所有层执行时间的总和并打印。这提供了整个前向传播过程的总执行时间，帮助了解模型的性能瓶颈
21. 返回最后一层的输出

14.4 _initialize_biases函数

    def _initialize_biases(self, cf=None):m = self.model[-1]  # Detect() modulefor mi, s in zip(m.m, m.stride):  # fromb = mi.bias.data.view(m.na, -1).clone()obj_add = math.log(8 / (640 / s) ** 2)  # 计算obj层需要增加的值cls_add = math.log(0.6 / (m.nc - 0.99)) if cf is None else torch.log(cf / cf.sum())b[:, 4] = b[:, 4] + obj_addb[:, 5:] = b[:, 5:] + cls_addmi.bias = torch.nn.Parameter(b.view(-1), requires_grad=True)

1. 初始化偏执的函数，接受一个可选的参数，这个参数用于根据数据集中各类别出现的频率来调整分类（cls）层的偏置
2. m，获取模型中的最后一个模块，检测层（Detect模块），用于目标检测
3. 遍历检测层中的每个子模块mi及其对应的步长stride，这里的步长是指输入图像被缩减的尺度，对目标尺寸预测非常关键
4. b，获取子模块mi的偏置项，并将其重塑（reshape）成(m.na, -1)的形状，其中m.na是每个特征图位置预测的锚框数量。.clone()确保在修改b时不会影响原始的偏置值
5. obj_add ，计算对象（obj）层偏置需要增加的值。这个公式基于假设每640像素的图像中有8个对象，并根据特征图的尺度（通过步长s计算）来调整。目的是调整检测层对于不同尺寸特征图上对象数量预测的偏置
6. cls_add ，计算分类（cls）层偏置需要增加的值。如果没有提供类频率（cf为None），则使用一个基于类数量m.nc的固定公式。如果提供了类频率，那么使用类频率来计算每个类的偏置调整值，以此反映数据集中类别的分布
7. 将计算出的对象层偏置调整值加到b的第4列上，这是因为在目标检测中，偏置项通常包括4个坐标偏置和一个对象存在的偏置，后者位于第5个位置（索引为4）
8. 将计算出的分类层偏置调整值加到b的第5列及之后的所有列上，对应于每个类别的偏置
9. 将调整后的偏置b重塑回原始形状并设置为mi的偏置，确保这些偏置在训练过程中可以被进一步调整（requires_grad=True）

14.5 其他辅助函数

    def _print_biases(self):m = self.model[-1]  # Detect() modulefor mi in m.m:  # fromb = mi.bias.detach().view(m.na, -1).T  # conv.bias(255) to (3,85)print(('%6g Conv2d.bias:' + '%10.3g' * 6) % (mi.weight.shape[1], *b[:5].mean(1).tolist(), b[5:].mean()))

1. 获取模型的最后一个模块，这里假设是一个目标检测模块（Detect模块）
2. 遍历检测模块中的每个子模块mi
3. 取得当前子模块mi的偏置，通过.detach()确保不会影响梯度计算，.view(m.na, -1)调整形状以匹配锚点数量m.na和偏置的其它维度，最后进行转置以便于处理
4. 打印当前子模块卷积层的输入通道数和偏置的统计信息，包括前五个偏置的平均值和之后所有偏置的平均值

fuse函数，用于融合模型中的卷积层（Conv2d）和批归一化层（BatchNorm2d）

    def fuse(self):  # fuse model Conv2d() + BatchNorm2d() layersprint('Fusing layers... ')for m in self.model.modules():if type(m) is Conv:m._non_persistent_buffers_set = set()  # pytorch 1.6.0 compatabilitym.conv = fuse_conv_and_bn(m.conv, m.bn)  # update convm.bn = None  # remove batchnormm.forward = m.fuseforward  # update forwardself.info()return self

1. 遍历模型中的所有模块
2. 检查当前模块是否为卷积层
3. 为了兼容PyTorch 1.6.0，清空非持久性缓冲区集合
4. 使用fuse_conv_and_bn函数来融合当前卷积层和其后的批归一化层
5. 将批归一化层设为None，表示移除批归一化层
6. 更新模块的前向传播函数为融合后的版本
7. 在完成融合后，调用info方法打印模型信息
8. 返回更新后的模型实例

    def info(self):  # print model informationmodel_info(self)

调用一个model_info函数，传入当前模型实例，用于收集和打印模型的详细信息，如参数数量、层的类型等