tensorflow——attention机制(Spatial and Channel-Wise Attention )

论文SCA-CNN的tensorflow代码实现(保存下来):

论文:SCA-CNN: Spatial and Channel-Wise Attention in Convolutional Networks for Image Captioning

"""
    Attention Model:
    WARNING: Use BatchNorm layer otherwise no accuracy gain.
    Lower layer with SpatialAttention, high layer with ChannelWiseAttention.
    In Visual155, Accuracy at 1, from 75.39% to 75.72%(↑0.33%).
"""
import tensorflow as tf
def spatial_attention(feature_map, K=1024, weight_decay=0.00004, scope="", reuse=None):
    """This method is used to add spatial attention to model.
    
    Parameters
    ---------------
    @feature_map: Which visual feature map as branch to use.
    @K: Map `H*W` units to K units. Now unused.
    @reuse: reuse variables if use multi gpus.
    
    Return
    ---------------
    @attended_fm: Feature map with Spatial Attention.
    """
    with tf.variable_scope(scope, 'SpatialAttention', reuse=reuse):
        # Tensorflow's tensor is in BHWC format. H for row split while W for column split.
        _, H, W, C = tuple([int(x) for x in feature_map.get_shape()])
        w_s = tf.get_variable("SpatialAttention_w_s", [C, 1],
                              dtype=tf.float32,
                              initializer=tf.initializers.orthogonal,
                              regularizer=tf.contrib.layers.l2_regularizer(weight_decay))
        b_s = tf.get_variable("SpatialAttention_b_s", [1],
                              dtype=tf.float32,
                              initializer=tf.initializers.zeros)
        spatial_attention_fm = tf.matmul(tf.reshape(feature_map, [-1, C]), w_s) + b_s
        spatial_attention_fm = tf.nn.sigmoid(tf.reshape(spatial_attention_fm, [-1, W * H]))
#         spatial_attention_fm = tf.clip_by_value(tf.nn.relu(tf.reshape(spatial_attention_fm, 
#                                                                       [-1, W * H])), 
#                                                 clip_value_min = 0, 
#                                                 clip_value_max = 1)
        attention = tf.reshape(tf.concat([spatial_attention_fm] * C, axis=1), [-1, H, W, C])
        attended_fm = attention * feature_map
        return attended_fm
    
def channel_wise_attention(feature_map, K=1024, weight_decay=0.00004, scope='', reuse=None):
    """This method is used to add spatial attention to model.
    
    Parameters
    ---------------
    @feature_map: Which visual feature map as branch to use.
    @K: Map `H*W` units to K units. Now unused.
    @reuse: reuse variables if use multi gpus.
    
    Return
    ---------------
    @attended_fm: Feature map with Channel-Wise Attention.
    """
    with tf.variable_scope(scope, 'ChannelWiseAttention', reuse=reuse):
        # Tensorflow's tensor is in BHWC format. H for row split while W for column split.
        _, H, W, C = tuple([int(x) for x in feature_map.get_shape()])
        w_s = tf.get_variable("ChannelWiseAttention_w_s", [C, C],
                              dtype=tf.float32,
                              initializer=tf.initializers.orthogonal,
                              regularizer=tf.contrib.layers.l2_regularizer(weight_decay))
        b_s = tf.get_variable("ChannelWiseAttention_b_s", [C],
                              dtype=tf.float32,
                              initializer=tf.initializers.zeros)
        transpose_feature_map = tf.transpose(tf.reduce_mean(feature_map, [1, 2], keep_dims=True), 
                                             perm=[0, 3, 1, 2])
        channel_wise_attention_fm = tf.matmul(tf.reshape(transpose_feature_map, 
                                                         [-1, C]), w_s) + b_s
        channel_wise_attention_fm = tf.nn.sigmoid(channel_wise_attention_fm)
#         channel_wise_attention_fm = tf.clip_by_value(tf.nn.relu(channel_wise_attention_fm), 
#                                                      clip_value_min = 0, 
#                                                      clip_value_max = 1)
        attention = tf.reshape(tf.concat([channel_wise_attention_fm] * (H * W), 
                                         axis=1), [-1, H, W, C])
        attended_fm = attention * feature_map
        return attended_fm

<think>嗯,用户想了解channel-wise spatial context这个概念。首先,我得回忆一下相关的领域,这应该是在计算机视觉或者深度学习中的术语,可能和注意力机制有关。 首先,分解术语。Channel-wise通常指按通道进行处理,比如在卷积神经网络中,每个通道可能代表不同的特征图。Spatial context则是空间上下文信息,指的是图像中不同位置之间的关系。所以结合起来,可能是在每个通道上考虑空间上的上下文信息。 接下来,我需要确认这个概念的应用场景。常见的比如SE模块(Squeeze-and-Excitation),它关注通道之间的关系,但可能不是空间上下文。而CBAM(Convolutional Block Attention Module)则同时处理通道和空间注意力。这里提到的是channel-wise,所以重点可能在每个通道内部的空间信息整合。 然后,我需要回忆相关的论文或模型。例如,有的方法会在每个通道上使用空间注意力,或者通过全局平均池化来捕获空间信息。或者像Non-local Networks这样的方法,通过计算像素之间的相似性来捕获长距离依赖,这可能属于空间上下文的一种应用,但需要区分是按通道处理还是跨通道。 可能channel-wise spatial context指的是在每个通道内部,利用周围或其他位置的信息来增强特征表示。例如,对每个通道的特征图,计算其空间上的上下文,比如通过卷积、池化或者自注意力机制,来捕捉不同位置之间的关系,从而提升模型对空间结构的理解。 还需要考虑具体的技术实现。比如,对于每个通道,是否独立地应用某种空间变换或注意力机制,以捕获该通道内的空间依赖。这可能有助于网络更好地理解物体各部分之间的关系,尤其在分割或检测任务中很重要。 另外,可能需要对比其他类似概念,比如空间注意力机制通常是跨所有通道处理空间位置的重要性,而channel-wise spatial context则是每个通道单独处理空间信息,或者不同通道间共享某种空间结构信息。 要确保解释准确,可能需要举例子。例如,在某个网络中,对每个通道的特征图,使用一个空间金字塔池化来捕获多尺度的空间上下文,然后将这些信息融合到原始特征中,这样每个通道都能结合不同尺度的空间信息,提升模型性能。 最后,总结这个概念的作用:通过在每个通道上整合空间上下文信息,增强模型对局部和全局结构的感知能力,从而提升特征表达的有效性,适用于需要精细空间理解的任务,如图像分割、目标检测等。</think>### Channel-wise Spatial Context 概念解析 #### 1. **核心定义** **Channel-wise Spatial Context(通道级空间上下文)** 是深度学习中的一种特征增强机制,主要用于计算机视觉任务。其核心思想是:**针对每个通道(Channel)独立建模空间维度(即图像宽度和高度)上的上下文关系**,从而提升模型对局部和全局空间结构的感知能力。 --- #### 2. **关键特性** - **通道独立性**:对每个通道单独处理空间上下文,避免跨通道信息的干扰。 - **空间关系建模**:捕捉同一通道内不同空间位置的依赖关系(如相邻像素、长距离关联等)。 - **轻量高效**:通常通过轻量级操作(如卷积、池化、注意力机制)实现,计算成本低。 --- #### 3. **技术实现方式** 以下是几种典型方法: | **方法** | **原理** | **公式示例** | |----------------------|-------------------------------------------------------------------------|---------------------------------------| | **全局平均池化 (GAP)** | 对每个通道的空间维度求均值,生成通道级全局上下文向量。 | $$ z_c = \frac{1}{H \times W} \sum_{i=1}^H \sum_{j=1}^W x_c(i,j) $$ | | **空间注意力机制** | 通过注意力权重动态分配不同空间位置的重要性。 | $$ A_c(i,j) = \text{Softmax}(W \cdot x_c(i,j)) $$ | | **空洞卷积 (Dilated Conv)** | 扩大卷积核的感受野,捕获多尺度空间上下文。 | $$ y_c = \sum_{k} w_k \cdot x_c(p + r \cdot k) $$ | --- #### 4. **应用场景** - **图像分割**:增强像素级预测时对局部边界的敏感性(如 PSPNet 中的金字塔池化模块)。 - **目标检测**:提升小目标检测性能(如通过上下文信息补全遮挡区域的特征)。 - **视频理解**:建模时序中空间结构的动态变化。 --- #### 5. **与相关概念对比** | **概念** | **关注维度** | **特点** | |-----------------------|-------------------|---------------------------------------| | Channel-wise Context | 通道内空间维度 | 细粒度建模单通道空间关系 | | Channel Attention | 通道间关系 | 跨通道权重分配(如 SE-Net) | | Spatial Attention | 跨通道空间维度 | 全局空间权重分配(如 CBAM) | --- #### 6. **代码示例(简化版)** ```python import torch import torch.nn as nn class ChannelWiseSpatialContext(nn.Module): def __init__(self, channel): super().__init__() # 使用1x1卷积生成空间注意力权重 self.conv = nn.Conv2d(channel, 1, kernel_size=1) def forward(self, x): # x形状: [B, C, H, W] spatial_weights = torch.sigmoid(self.conv(x)) # 生成空间权重 [B, 1, H, W] return x * spatial_weights # 通道独立加权 ``` --- #### 7. **总结** Channel-wise Spatial Context 通过显式建模通道内的空间依赖关系,帮助网络更精准地理解图像结构。其设计平衡了计算效率与性能提升,是轻量级特征增强的常用策略。
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