YOLOv7: Bag-of-Freebies treinável#

O YOLOv7, lançado em julho de 2022, representou um avanço significativo na deteção de objetos em tempo real na altura do seu lançamento. Alcançou 56,8% de AP na GPU V100, estabelecendo novos padrões quando foi introduzido. O YOLOv7 superou detetores de objetos contemporâneos, como YOLOR, YOLOX, Scaled-YOLOv4 e YOLOv5, em velocidade e precisão. O modelo é treinado no conjunto de dados MS COCO desde o início, sem utilizar outros conjuntos de dados ou pesos pré-treinados. O código-fonte do YOLOv7 está disponível no GitHub. Nota que modelos mais recentes, como YOLO11 e YOLO26, alcançaram entretanto uma precisão superior com maior eficiência.

Comparação de detetores de objetos SOTA#

A partir dos resultados da tabela de comparação do YOLO, sabemos que o método proposto apresenta, de forma abrangente, o melhor compromisso entre velocidade e precisão. Se compararmos o YOLOv7-tiny-SiLU com o YOLOv5-N (r6.1), o nosso método é 127 fps mais rápido e 10,7% mais preciso em AP. Além disso, o YOLOv7 alcança 51,4% de AP a uma taxa de 161 fps, enquanto o PPYOLOE-L, com o mesmo AP, tem uma taxa de apenas 78 fps. Em termos de utilização de parâmetros, o YOLOv7 utiliza 41% menos do que o PPYOLOE-L.

Se compararmos o YOLOv7-X, com uma velocidade de inferência de 114 fps, com o YOLOv5-L (r6.1), com uma velocidade de inferência de 99 fps, o YOLOv7-X pode melhorar o AP em 3,9%. Se o YOLOv7-X for comparado com o YOLOv5-X (r6.1), de escala semelhante, a velocidade de inferência do YOLOv7-X é 31 fps superior. Além disso, em termos da quantidade de parâmetros e computação, o YOLOv7-X reduz os parâmetros em 22% e a computação em 8% face ao YOLOv5-X (r6.1), mas melhora o AP em 2,2% (Fonte).

Visão geral#

A deteção de objetos em tempo real é um componente importante em muitos sistemas de visão computacional, incluindo rastreamento de múltiplos objetos, condução autónoma, robótica e análise de imagens médicas. Nos últimos anos, o desenvolvimento da deteção de objetos em tempo real tem-se concentrado na conceção de arquiteturas eficientes e na melhoria da velocidade de inferência de várias CPUs, GPUs e unidades de processamento neural (NPUs). O YOLOv7 suporta dispositivos GPU móveis e GPU, desde a periferia até à cloud.

Ao contrário dos detetores de objetos tradicionais em tempo real, que se concentram na otimização da arquitetura, o YOLOv7 introduz um foco na otimização do processo de treino. Isto inclui módulos e métodos de otimização concebidos para melhorar a precisão da deteção de objetos sem aumentar o custo de inferência, um conceito conhecido como "bag-of-freebies treinável".

Principais funcionalidades#

O YOLOv7 introduz várias funcionalidades importantes:

1. Reparametrização do modelo: o YOLOv7 propõe um modelo reparametrizado planeado, uma estratégia aplicável a camadas de diferentes redes com base no conceito de caminho de propagação do gradiente.

2. Atribuição dinâmica de rótulos: o treino do modelo com várias camadas de saída apresenta uma nova questão: "Como atribuir alvos dinâmicos às saídas de diferentes ramificações?" Para resolver este problema, o YOLOv7 introduz um novo método de atribuição de rótulos denominado atribuição de rótulos guiada pelo líder, do grosseiro ao fino.

3. Escalonamento estendido e composto: o YOLOv7 propõe métodos de "extensão" e "escalonamento composto" para o detetor de objetos em tempo real, que podem utilizar eficazmente os parâmetros e a computação.

4. Eficiência: o método proposto pelo YOLOv7 pode reduzir eficazmente cerca de 40% dos parâmetros e 50% da computação de um detetor de objetos em tempo real de última geração, proporcionando simultaneamente uma velocidade de inferência mais elevada e uma maior precisão de deteção.

Exemplos de utilização#

A Ultralytics não publica pesos pré-treinados yolov7.pt nem ficheiros YAML ultralytics/cfg/models/v7/, e o treino e a inferência nativos de YOLOv7 com PyTorch não são suportados pelo pacote Python da Ultralytics. No entanto, podes importar para a Ultralytics um checkpoint do YOLOv7 treinado no repositório upstream do YOLOv7, exportando-o para ONNX ou TensorRT, conforme mostrado abaixo.

Exportação para ONNX#

Para utilizar o modelo YOLOv7 ONNX com a Ultralytics:

1. (Opcional) Instala a Ultralytics e exporta um modelo ONNX para instalar automaticamente as dependências necessárias:

   pip install ultralytics
   yolo export model=yolo26n.pt format=onnx

2. Exporta o modelo YOLOv7 pretendido utilizando o exportador no repositório do YOLOv7:

   git clone https://github.com/WongKinYiu/yolov7
   cd yolov7
   python export.py --weights yolov7-tiny.pt --grid --end2end --simplify --topk-all 100 --iou-thres 0.65 --conf-thres 0.35 --img-size 640 640 --max-wh 640

3. Modifica o grafo do modelo ONNX para o tornar compatível com a Ultralytics utilizando o seguinte script:

   import numpy as np
   import onnx
   from onnx import helper, numpy_helper
   
   # Load the ONNX model
   model_path = "yolov7/yolov7-tiny.onnx"  # Replace with your model path
   model = onnx.load(model_path)
   graph = model.graph
   
   # Fix input shape to batch size 1
   input_shape = graph.input[0].type.tensor_type.shape
   input_shape.dim[0].dim_value = 1
   
   # Define the output of the original model
   original_output_name = graph.output[0].name
   
   # Create slicing nodes
   sliced_output_name = f"{original_output_name}_sliced"
   
   # Define initializers for slicing (remove the first value)
   start = numpy_helper.from_array(np.array([1], dtype=np.int64), name="slice_start")
   end = numpy_helper.from_array(np.array([7], dtype=np.int64), name="slice_end")
   axes = numpy_helper.from_array(np.array([1], dtype=np.int64), name="slice_axes")
   steps = numpy_helper.from_array(np.array([1], dtype=np.int64), name="slice_steps")
   
   graph.initializer.extend([start, end, axes, steps])
   
   slice_node = helper.make_node(
       "Slice",
       inputs=[original_output_name, "slice_start", "slice_end", "slice_axes", "slice_steps"],
       outputs=[sliced_output_name],
       name="SliceNode",
   )
   graph.node.append(slice_node)
   
   # Define segment slicing
   seg1_start = numpy_helper.from_array(np.array([0], dtype=np.int64), name="seg1_start")
   seg1_end = numpy_helper.from_array(np.array([4], dtype=np.int64), name="seg1_end")
   seg2_start = numpy_helper.from_array(np.array([4], dtype=np.int64), name="seg2_start")
   seg2_end = numpy_helper.from_array(np.array([5], dtype=np.int64), name="seg2_end")
   seg3_start = numpy_helper.from_array(np.array([5], dtype=np.int64), name="seg3_start")
   seg3_end = numpy_helper.from_array(np.array([6], dtype=np.int64), name="seg3_end")
   
   graph.initializer.extend([seg1_start, seg1_end, seg2_start, seg2_end, seg3_start, seg3_end])
   
   # Create intermediate tensors for segments
   segment_1_name = f"{sliced_output_name}_segment1"
   segment_2_name = f"{sliced_output_name}_segment2"
   segment_3_name = f"{sliced_output_name}_segment3"
   
   # Add segment slicing nodes
   graph.node.extend(
       [
           helper.make_node(
               "Slice",
               inputs=[sliced_output_name, "seg1_start", "seg1_end", "slice_axes", "slice_steps"],
               outputs=[segment_1_name],
               name="SliceSegment1",
           ),
           helper.make_node(
               "Slice",
               inputs=[sliced_output_name, "seg2_start", "seg2_end", "slice_axes", "slice_steps"],
               outputs=[segment_2_name],
               name="SliceSegment2",
           ),
           helper.make_node(
               "Slice",
               inputs=[sliced_output_name, "seg3_start", "seg3_end", "slice_axes", "slice_steps"],
               outputs=[segment_3_name],
               name="SliceSegment3",
           ),
       ]
   )
   
   # Concatenate the segments
   concat_output_name = f"{sliced_output_name}_concat"
   concat_node = helper.make_node(
       "Concat",
       inputs=[segment_1_name, segment_3_name, segment_2_name],
       outputs=[concat_output_name],
       axis=1,
       name="ConcatSwapped",
   )
   graph.node.append(concat_node)
   
   # Reshape to [1, -1, 6]
   reshape_shape = numpy_helper.from_array(np.array([1, -1, 6], dtype=np.int64), name="reshape_shape")
   graph.initializer.append(reshape_shape)
   
   final_output_name = f"{concat_output_name}_batched"
   reshape_node = helper.make_node(
       "Reshape",
       inputs=[concat_output_name, "reshape_shape"],
       outputs=[final_output_name],
       name="AddBatchDimension",
   )
   graph.node.append(reshape_node)
   
   # Get the shape of the reshaped tensor
   shape_node_name = f"{final_output_name}_shape"
   shape_node = helper.make_node(
       "Shape",
       inputs=[final_output_name],
       outputs=[shape_node_name],
       name="GetShapeDim",
   )
   graph.node.append(shape_node)
   
   # Extract the second dimension
   dim_1_index = numpy_helper.from_array(np.array([1], dtype=np.int64), name="dim_1_index")
   graph.initializer.append(dim_1_index)
   
   second_dim_name = f"{final_output_name}_dim1"
   gather_node = helper.make_node(
       "Gather",
       inputs=[shape_node_name, "dim_1_index"],
       outputs=[second_dim_name],
       name="GatherSecondDim",
   )
   graph.node.append(gather_node)
   
   # Subtract from 100 to determine how many values to pad
   target_size = numpy_helper.from_array(np.array([100], dtype=np.int64), name="target_size")
   graph.initializer.append(target_size)
   
   pad_size_name = f"{second_dim_name}_padsize"
   sub_node = helper.make_node(
       "Sub",
       inputs=["target_size", second_dim_name],
       outputs=[pad_size_name],
       name="CalculatePadSize",
   )
   graph.node.append(sub_node)
   
   # Build the [2, 3] pad array:
   # 1st row -> [0, 0, 0] (no padding at the start of any dim)
   # 2nd row -> [0, pad_size, 0] (pad only at the end of the second dim)
   pad_starts = numpy_helper.from_array(np.array([0, 0, 0], dtype=np.int64), name="pad_starts")
   graph.initializer.append(pad_starts)
   
   zero_scalar = numpy_helper.from_array(np.array([0], dtype=np.int64), name="zero_scalar")
   graph.initializer.append(zero_scalar)
   
   pad_ends_name = "pad_ends"
   concat_pad_ends_node = helper.make_node(
       "Concat",
       inputs=["zero_scalar", pad_size_name, "zero_scalar"],
       outputs=[pad_ends_name],
       axis=0,
       name="ConcatPadEnds",
   )
   graph.node.append(concat_pad_ends_node)
   
   pad_values_name = "pad_values"
   concat_pad_node = helper.make_node(
       "Concat",
       inputs=["pad_starts", pad_ends_name],
       outputs=[pad_values_name],
       axis=0,
       name="ConcatPadStartsEnds",
   )
   graph.node.append(concat_pad_node)
   
   # Create Pad operator to pad with zeros
   pad_output_name = f"{final_output_name}_padded"
   pad_constant_value = numpy_helper.from_array(
       np.array([0.0], dtype=np.float32),
       name="pad_constant_value",
   )
   graph.initializer.append(pad_constant_value)
   
   pad_node = helper.make_node(
       "Pad",
       inputs=[final_output_name, pad_values_name, "pad_constant_value"],
       outputs=[pad_output_name],
       mode="constant",
       name="PadToFixedSize",
   )
   graph.node.append(pad_node)
   
   # Update the graph's final output to [1, 100, 6]
   new_output_type = onnx.helper.make_tensor_type_proto(
       elem_type=graph.output[0].type.tensor_type.elem_type, shape=[1, 100, 6]
   )
   new_output = onnx.helper.make_value_info(name=pad_output_name, type_proto=new_output_type)
   
   # Replace the old output with the new one
   graph.output.pop()
   graph.output.extend([new_output])
   
   # Save the modified model
   onnx.save(model, "yolov7-ultralytics.onnx")

4. Podes então carregar o modelo ONNX modificado e executar normalmente a inferência com ele na Ultralytics:

   from ultralytics import ASSETS, YOLO
   
   model = YOLO("yolov7-ultralytics.onnx", task="detect")
   
   results = model(ASSETS / "bus.jpg")

Exportação para TensorRT#

1. Segue os passos 1–2 da secção Exportação para ONNX.

2. Instala o pacote Python TensorRT:

   pip install tensorrt

3. Executa o seguinte script para converter o modelo ONNX modificado num motor TensorRT:

   from ultralytics.utils.export import onnx2engine
   
   onnx2engine("yolov7-ultralytics.onnx", quantize=16)

4. Carrega e executa o modelo na Ultralytics:

   from ultralytics import ASSETS, YOLO
   
   model = YOLO("yolov7-ultralytics.engine", task="detect")
   
   results = model(ASSETS / "bus.jpg")

Citações e agradecimentos#

Gostaríamos de reconhecer os autores do YOLOv7 pelas suas contribuições significativas para o campo da deteção de objetos em tempo real:

@inproceedings{wang2023yolov7,
  title={YOLOv7: Trainable Bag-of-Freebies Sets New State-of-the-Art for Real-Time Object Detectors},
  author={Wang, Chien-Yao and Bochkovskiy, Alexey and Liao, Hong-Yuan Mark},
  booktitle={Proceedings of the IEEE/CVF conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR)},
  pages={7464--7475},
  year={2023}
}

O artigo oficial do YOLOv7 foi publicado no CVF 2023 Open Access, com um preprint no arXiv. Os autores disponibilizaram publicamente o seu trabalho, e a base de código pode ser acedida no GitHub. Agradecemos os seus esforços para promover o campo e tornar o seu trabalho acessível a uma comunidade mais ampla.

Perguntas frequentes#