YOLOv5改进---添加注意力机制之CA

参考文章:CoordAttention - 知乎 (zhihu.com)

一、CA注意力简介

        在轻量级网络上的研究表明,通道注意力会给模型带来比较显著的性能提升,但是通道注意力通常会忽略对生成空间选择性注意力图非常重要的位置信息。因此,新加坡国立大学的Qibin Hou等人提出了一种为轻量级网络设计的新的注意力机制,该机制将位置信息嵌入到了通道注意力中,称为coordinate attention(简称CoordAttention,下文也称CA),该论文已被CVPR2021收录。不同于通道注意力将输入通过2D全局池化转化为单个特征向量,CoordAttention将通道注意力分解为两个沿着不同方向聚合特征的1D特征编码过程。这样的好处是可以沿着一个空间方向捕获长程依赖,沿着另一个空间方向保留精确的位置信息。然后,将生成的特征图分别编码,形成一对方向感知和位置敏感的特征图,它们可以互补地应用到输入特征图来增强感兴趣的目标的表示。

        CoordAttention简单灵活且高效,可以插入经典的轻量级网络(如MobileNetV2)在几乎不带来额外计算开销的前提下,提升网络的精度。实验表明,CoordAttention不仅仅对于分类任务有不错的提高,对目标检测、实例分割这类密集预测的任务,效果提升更加明显。

        考虑到轻量级网络有限的计算能力,目前最流行的注意力机制仍然是SENet提出的SE Attention。遗憾的是,SE模块只考虑了通道间信息的编码而忽视了位置信息的重要性,而位置信息其实对于很多需要捕获目标结构的视觉任务至关重要。因此,后来CBAM等方法通过减少通道数继而使用大尺寸卷积来利用位置信息。然而,

### 如何在YOLOv5中集成CA注意力机制 #### 实现背景 YOLOv5作为一种高效的目标检测算法,在计算机视觉领域得到了广泛应用。为了进一步提升模型性能,研究人员引入了多种改进策略,其中包括注意力机制的应用。CA(Coordinate Attention)是一种新型的注意力机制,能够有效捕捉空间维度上的特征依赖关系。 #### 集成步骤详解 #### 安装环境准备 确保已经安装好PyTorch及相关库,并克隆YOLOv5官方仓库到本地环境中[^1]: ```bash git clone https://github.com/ultralytics/yolov5.git cd yolov5 pip install -r requirements.txt ``` #### 修改网络架构文件 编辑`models/common.py`文件,加入CA模块定义如下所示: ```python import torch.nn as nn from models.common import Conv, DWConv class h_sigmoid(nn.Module): def __init__(self, inplace=True): super(h_sigmoid, self).__init__() self.relu = nn.ReLU6(inplace=inplace) def forward(self, x): return self.relu(x + 3) / 6 class h_swish(nn.Module): def __init__(self, inplace=True): super(h_swish, self).__init__() self.sigmoid = h_sigmoid(inplace=inplace) def forward(self, x): return x * self.sigmoid(x) class CoordAtt(nn.Module): def __init__(self, inp, oup, reduction=32): super(CoordAtt, self).__init__() self.pool_h = nn.AdaptiveAvgPool2d((None, 1)) self.pool_w = nn.AdaptiveAvgPool2d((1, None)) mip = max(8, inp // reduction) self.conv1 = nn.Conv2d(inp, mip, kernel_size=1, stride=1, padding=0) self.bn1 = nn.BatchNorm2d(mip) self.act = h_swish() self.conv_h = nn.Conv2d(mip, oup, kernel_size=1, stride=1, padding=0) self.conv_w = nn.Conv2d(mip, oup, kernel_size=1, stride=1, padding=0) def forward(self, x): identity = x n, c, h, w = x.size() x_h = self.pool_h(x) x_w = self.pool_w(x).permute(0, 1, 3, 2) y = torch.cat([x_h, x_w], dim=2) y = self.conv1(y) y = self.bn1(y) y = self.act(y) x_h, x_w = y.split([h, w], dim=2) x_w = x_w.permute(0, 1, 3, 2) a_h = self.conv_h(x_h).sigmoid() a_w = self.conv_w(x_w).sigmoid() out = identity * a_h * a_w return out ``` #### 调整配置文件 修改`yolov5s.yaml`或其他预训练权重对应的yaml配置文件中的backbone部分,替换原有的Bottleneck层为带有CA模块的新版本: ```yaml # YOLOv5-small backbone with CA attention mechanism added to Bottlenecks. backbone: [[...]] - [79, 'Conv', [256, 3, 2]] # Downsample layer before CAs [-1, 'CoordAtt', []] # Add Coordinate Attention here [...] neck: [[...]] head: [[...]] ``` 完成上述操作后即可基于新构建好的含CA注意力机制YOLOv5进行训练和推理实验验证效果改善情况。
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