关于yolov8的DFL模块(pytorch以及tensorrt)-编程知识

先看代码

class DFL(nn.Module):"""Integral module of Distribution Focal Loss (DFL).Proposed in Generalized Focal Loss https://ieeexplore.ieee.org/document/9792391"""def __init__(self, c1=16):"""Initialize a convolutional layer with a given number of input channels."""super().__init__()self.conv = nn.Conv2d(c1, 1, 1, bias=False).requires_grad_(False)x = torch.arange(c1, dtype=torch.float)self.conv.weight.data[:] = nn.Parameter(x.view(1, c1, 1, 1))self.c1 = c1def forward(self, x):"""Applies a transformer layer on input tensor 'x' and returns a tensor."""b, c, a = x.shape  # batch, channels, anchorsprint("self.conv.weight.data[:] is : ",self.conv.weight.data[:])print("self.conv.weight.data[:] shape is : ",self.conv.weight.data[:].shape)print("x is : ",x)print("x.shape is : ",x.shape)print("x.view(b,4,self.c1,a) is : ",x.view(b,4,self.c1,a))print("x.view(b,4,self.c1,a).shape is : ",x.view(b,4,self.c1,a).shape)return self.conv(x.view(b, 4, self.c1, a).transpose(2, 1).softmax(1)).view(b, 4, a)# return self.conv(x.view(b, self.c1, 4, a).softmax(1)).view(b, 4, a)

这个类 DFL 是一个神经网络模块，继承自 nn.Module，是在PyTorch框架中定义自定义神经网络层的标准方式。这个 DFL 类实现了分布焦点损失（Distribution Focal Loss, DFL），这是在论文 “Generalized Focal Loss” 中提出的一个概念。下面是对这段代码的详细解释：

1、class DFL(nn.Module)：定义了一个名为 DFL 的类，它继承自 nn.Module，使其成为一个PyTorch的网络层。
2、def init(self, c1=16)：DFL 类的初始化方法。接收一个参数 c1，默认值是 16，代表输入通道的数量。
3、super().init()：调用父类 nn.Module 的初始化函数，这是在定义PyTorch模型时的标准做法。
4、self.conv = nn.Conv2d(c1, 1, 1, bias=False).requires_grad_(False)：定义了一个卷积层，该层有 c1 个输入通道，1个输出通道，卷积核大小1x1，没有偏置项，且不需要梯度更新（即在训练过程中不会更新这个卷积层的权重）。
5、x = torch.arange(c1, dtype=torch.float)：创建一个大小为 c1 的一维张量，这个张量包含了从0到 c1-1 的连续整数。
6、self.conv.weight.data[:] = nn.Parameter(x.view(1, c1, 1, 1))：初始化卷积层的权重。x 被转换成形状为 (1, c1, 1, 1) 的四维张量，并作为卷积层权重的值。
7、self.c1 = c1：存储输入通道数目的属性。
8、def forward(self, x)：定义了模块的前向传播方法，其中 x 是输入张量。
9、b, c, a = x.shape：获取输入张量 x 的形状，假设其是三维的，其中 b 是批处理大小，c 是通道数量，a 是锚点数量（注：锚点通常用于目标检测任务中）。
10、这段代码中还包含了一些打印语句，用于输出卷积层的权重和输入张量的形状等调试信息。
11、return self.conv(x.view(b, 4, self.c1, a).transpose(2, 1).softmax(1)).view(b, 4, a)：这是前向传播的关键操作。输入张量 x 首先被重塑为 (b, 4, self.c1, a)，这里假定 c 是 4*self.c1。然后 transpose(2, 1) 交换了通道和锚点的维度。softmax(1) 在第二个维度上（即原来的 self.c1 维度、现在的通道维度）应用softmax函数。最后，应用卷积操作并将结果重塑为 (b, 4, a)。

综上所述，DFL 类使用了卷积核对输入张量进行变换，旨在学习一种分布式的表示，其在目标检测等任务中可能用于学习预测概率分布。这种方法可能有利于模型更好地理解目标的不确定性。

以下是调试输出：

Ultralytics YOLOv8.1.8 🚀 Python-3.11.5 torch-2.0.0+cu118 CUDA:0 (NVIDIA GeForce RTX 3060 Laptop GPU, 6144MiB)
self.conv.weight.data[:] is :  tensor([[[[ 0.]],[[ 1.]],[[ 2.]],[[ 3.]],[[ 4.]],[[ 5.]],[[ 6.]],[[ 7.]],[[ 8.]],[[ 9.]],[[10.]],[[11.]],[[12.]],[[13.]],[[14.]],[[15.]]]], device='cuda:0')
self.conv.weight.data[:] shape is :  torch.Size([1, 16, 1, 1])
x is :  tensor([[[ 7.9609,  3.9328,  1.2542,  ...,  7.9261,  3.7103,  6.1628],[ 7.8865,  8.2141,  3.6136,  ...,  7.7927,  7.2668,  5.9885],[ 2.1200,  8.2323,  7.2977,  ...,  3.5018,  7.1541,  3.2515],...,[-1.6378, -2.2544, -2.0439,  ..., -1.8033, -1.7783, -1.4680],[-1.9045, -2.5544, -2.3420,  ..., -2.0054, -1.9784, -1.6110],[-1.1409, -2.4363, -2.1418,  ..., -1.7273, -1.7041, -1.6811]]], device='cuda:0')
x.shape is :  torch.Size([1, 64, 21])
x.view(b,4,self.c1,a) is :  tensor([[[[ 7.9609,  3.9328,  1.2542,  ...,  7.9261,  3.7103,  6.1628],[ 7.8865,  8.2141,  3.6136,  ...,  7.7927,  7.2668,  5.9885],[ 2.1200,  8.2323,  7.2977,  ...,  3.5018,  7.1541,  3.2515],...,[-1.3957, -2.2859, -2.3732,  ..., -1.6756, -1.7059, -1.4575],[-1.6145, -2.3682, -2.4476,  ..., -1.7892, -1.7984, -1.5309],[-0.8706, -1.7938, -1.8388,  ..., -1.6522, -1.6732, -1.5332]],[[ 8.3572,  9.8892,  9.1272,  ...,  4.1972,  4.2291,  6.8087],[ 8.2836,  9.8511,  9.0978,  ...,  7.4077,  7.2967,  6.6090],[ 2.7911,  2.6250,  2.3740,  ...,  7.2771,  7.1356,  3.5323],...,[-1.6353, -2.0540, -1.9561,  ..., -0.9167, -1.0320, -1.4185],[-1.8191, -2.3518, -2.2370,  ..., -1.1207, -1.2171, -1.5694],[-1.1255, -2.2479, -2.0955,  ..., -0.5296, -0.6821, -1.8163]],[[-0.2927,  0.9935,  4.8185,  ...,  4.0401,  8.2405,  5.8280],[ 1.8495,  4.0922,  8.9220,  ...,  7.8240,  8.1252,  5.9634],[ 3.7216,  8.0900,  8.7783,  ...,  7.6322,  3.4239,  3.9682],...,[-1.7413, -2.0473, -2.3148,  ..., -1.7863, -1.6267, -1.3612],[-1.9912, -2.2312, -2.4779,  ..., -1.9319, -1.7893, -1.5738],[-1.3506, -1.7374, -1.8736,  ..., -1.7203, -1.5202, -1.5913]],[[ 0.9126,  0.7135,  0.5577,  ...,  8.0598,  8.0426,  6.3850],[ 2.6471,  2.7828,  2.6682,  ...,  7.9502,  7.9280,  6.1044],[ 3.7130,  4.0446,  3.8203,  ...,  3.9169,  4.0009,  3.2179],...,[-1.6378, -2.2544, -2.0439,  ..., -1.8033, -1.7783, -1.4680],[-1.9045, -2.5544, -2.3420,  ..., -2.0054, -1.9784, -1.6110],[-1.1409, -2.4363, -2.1418,  ..., -1.7273, -1.7041, -1.6811]]]], device='cuda:0')
x.view(b,4,self.c1,a).shape is :  torch.Size([1, 4, 16, 21])

在PyTorch框架中，x.view() 函数是非常常用来改变张量(Tensor)形状的方法。当使用x.view()时，你需要提供一个维度的新形状，而这个新形状必须要与原始张量包含的元素数量相匹配。换句话说，使用view可以在不改变数据内容的前提下，改变数据的形状。
这是 x.view() 方法的基本用法：

x.view(dim1, dim2, dim3, ...)

其中，dim1, dim2, dim3, … 是新的形状，每一个维度都是一个整数，代表了在该维度上的大小。可以使用 -1 来让PyTorch自动计算该维度的大小，但一次只能用在一个维度上。
请看以下代码中的 forward 方法里的 x.view() 的使用：

b, c, a = x.shape  # batch, channels, anchors
return self.conv(x.view(b, 4, self.c1, a).transpose(2, 1).softmax(1)).view(b, 4, a)

在这个例子中，x 是输入张量，其形状为 (b, c, a)，其中 b 是批次大小(batch size)，c 是通道数(channels)，a 是锚点数量(anchors)。这里的 c 应该等于 4*self.c1，这样才能通过 view 进行重塑。
x.view(b, 4, self.c1, a) 的意思是将 x 的形状由 (b, c, a) 改变为 (b, 4, self.c1, a)。此时，第二维度变成了 4，第三维度变成了 self.c1，而第四维度是 a。调用 view 后，张量的总元素数不变，但将这些元素按照新的形状重新排列。
在这个转换之后，x 经过了 .transpose(2, 1)，它会交换第二维和第三维。transpose(2, 1) 的结果是张量的形状变成了 (b, self.c1, 4, a)。
最后，.softmax(1) 在第二维上应用了softmax函数，它会计算该维度上的概率分布。然后经过自定义的1x1卷积核处理，并返回形状为 (b, 4, a) 的结果。
通过这种方式，x.view() 使得张量可以在不同神经网络操作中适应所需的形状，在保持数据元素不变的同时改变其结构。

tensorrt里面的dfl如下：

nvinfer1::IShuffleLayer* DFL(nvinfer1::INetworkDefinition* network, std::map<std::string, nvinfer1::Weights> weightMap, 
nvinfer1::ITensor& input, int ch, int grid, int k, int s, int p, std::string lname){nvinfer1::IShuffleLayer* shuffle1 = network->addShuffle(input);shuffle1->setReshapeDimensions(nvinfer1::Dims3{4, 16, grid});shuffle1->setSecondTranspose(nvinfer1::Permutation{1, 0, 2});nvinfer1::ISoftMaxLayer* softmax = network->addSoftMax(*shuffle1->getOutput(0));nvinfer1::Weights bias_empty{nvinfer1::DataType::kFLOAT, nullptr, 0};nvinfer1::IConvolutionLayer* conv = network->addConvolutionNd(*softmax->getOutput(0), 1, nvinfer1::DimsHW{1, 1}, weightMap[lname], bias_empty);conv->setStrideNd(nvinfer1::DimsHW{s, s});conv->setPaddingNd(nvinfer1::DimsHW{p, p});nvinfer1::IShuffleLayer* shuffle2 = network->addShuffle(*conv->getOutput(0));shuffle2->setReshapeDimensions(nvinfer1::Dims2{4, grid});return shuffle2;
}

下面放出DFL的onnx图：

在这里插入图片描述

tensorrtx里面处理的detect的代码为：

nvinfer1::IShuffleLayer* shuffle22_0 = network->addShuffle(*cat22_0->getOutput(0));
shuffle22_0->setReshapeDimensions(nvinfer1::Dims2{64 + kNumClass, (kInputH / 8) * (kInputW / 8)});nvinfer1::ISliceLayer* split22_0_0 = network->addSlice(*shuffle22_0->getOutput(0), nvinfer1::Dims2{0, 0}, nvinfer1::Dims2{64, (kInputH / 8) * (kInputW / 8)}, nvinfer1::Dims2{1, 1});
nvinfer1::ISliceLayer* split22_0_1 = network->addSlice(*shuffle22_0->getOutput(0), nvinfer1::Dims2{64, 0}, nvinfer1::Dims2{kNumClass, (kInputH / 8) * (kInputW / 8)}, nvinfer1::Dims2{1, 1});
nvinfer1::IShuffleLayer* dfl22_0 = DFL(network, weightMap, *split22_0_0->getOutput(0), 4, (kInputH / 8) * (kInputW / 8), 1, 1, 0, "model.22.dfl.conv.weight");
nvinfer1::ITensor* inputTensor22_dfl_0[] = {dfl22_0->getOutput(0), split22_0_1->getOutput(0)};
nvinfer1::IConcatenationLayer* cat22_dfl_0 = network->addConcatenation(inputTensor22_dfl_0, 2);nvinfer1::IShuffleLayer* shuffle22_1 = network->addShuffle(*cat22_1->getOutput(0));
shuffle22_1->setReshapeDimensions(nvinfer1::Dims2{64 + kNumClass, (kInputH / 16) * (kInputW / 16)});
nvinfer1::ISliceLayer* split22_1_0 = network->addSlice(*shuffle22_1->getOutput(0), nvinfer1::Dims2{0, 0}, nvinfer1::Dims2{64, (kInputH / 16) * (kInputW / 16)}, nvinfer1::Dims2{1, 1});
nvinfer1::ISliceLayer* split22_1_1 = network->addSlice(*shuffle22_1->getOutput(0), nvinfer1::Dims2{64, 0}, nvinfer1::Dims2{kNumClass, (kInputH / 16) * (kInputW / 16)}, nvinfer1::Dims2{1, 1});
nvinfer1::IShuffleLayer* dfl22_1 = DFL(network, weightMap, *split22_1_0->getOutput(0), 4, (kInputH / 16) * (kInputW / 16), 1, 1, 0, "model.22.dfl.conv.weight");
nvinfer1::ITensor* inputTensor22_dfl_1[] = {dfl22_1->getOutput(0), split22_1_1->getOutput(0)};
nvinfer1::IConcatenationLayer* cat22_dfl_1 = network->addConcatenation(inputTensor22_dfl_1, 2);nvinfer1::IShuffleLayer* shuffle22_2 = network->addShuffle(*cat22_2->getOutput(0));
shuffle22_2->setReshapeDimensions(nvinfer1::Dims2{64 + kNumClass, (kInputH / 32) * (kInputW / 32)});
nvinfer1::ISliceLayer* split22_2_0 = network->addSlice(*shuffle22_2->getOutput(0), nvinfer1::Dims2{0, 0}, nvinfer1::Dims2{64, (kInputH / 32) * (kInputW / 32)}, nvinfer1::Dims2{1, 1});
nvinfer1::ISliceLayer* split22_2_1 = network->addSlice(*shuffle22_2->getOutput(0), nvinfer1::Dims2{64, 0}, nvinfer1::Dims2{kNumClass, (kInputH / 32) * (kInputW / 32)}, nvinfer1::Dims2{1, 1});
nvinfer1::IShuffleLayer* dfl22_2 = DFL(network, weightMap, *split22_2_0->getOutput(0), 4, (kInputH / 32) * (kInputW / 32), 1, 1, 0, "model.22.dfl.conv.weight");
nvinfer1::ITensor* inputTensor22_dfl_2[] = {dfl22_2->getOutput(0), split22_2_1->getOutput(0)};
nvinfer1::IConcatenationLayer* cat22_dfl_2 = network->addConcatenation(inputTensor22_dfl_2, 2);nvinfer1::IPluginV2Layer* yolo = addYoLoLayer(network, std::vector<nvinfer1::IConcatenationLayer *>{cat22_dfl_0, cat22_dfl_1, cat22_dfl_2});
yolo->getOutput(0)->setName(kOutputTensorName);
network->markOutput(*yolo->getOutput(0));

tensorrtx里面的处理手段是将三个output分别经过dfl等一系列处理，再拼回去，再看onnx图：请添加图片描述