YOLOv5改进算法之添加CA注意力机制模块

1.CA注意力机制

2.YOLOv5添加注意力机制

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1.CA注意力机制

CA（Coordinate Attention）注意力机制是一种用于加强深度学习模型对输入数据的空间结构理解的注意力机制。CA 注意力机制的核心思想是引入坐标信息，以便模型可以更好地理解不同位置之间的关系。如下图：

1. 输入特征： CA 注意力机制的输入通常是一个特征图，它通常是卷积神经网络（CNN）中的某一层的输出，具有以下形状：[C, H, W]，其中：

C 是通道数，表示特征图中的不同特征通道。
H 是高度，表示特征图的垂直维度。
W 是宽度，表示特征图的水平维度。

2. 全局平均池化： CA 注意力机制首先对输入特征图进行两次全局平均池化，一次在宽度方向上，一次在高度方向上。这两次操作分别得到两个特征映射：

在宽度方向上的平均池化得到特征映射 [C, H, 1]。
在高度方向上的平均池化得到特征映射 [C, 1, W]。

这两个特征映射分别捕捉了在宽度和高度方向上的全局特征。

3. 合并宽高特征：将上述两个特征映射合并，通常通过简单的堆叠操作，得到一个新的特征层，形状为 [C, 1, H + W]，其中 H + W 表示在宽度和高度两个方向上的维度合并在一起。

4. 卷积+标准化+激活函数：对合并后的特征层进行卷积操作，通常是 1×1 卷积，以捕捉宽度和高度维度之间的关系。然后，通常会应用标准化（如批量标准化）和激活函数（如ReLU）来进一步处理特征，得到一个更加丰富的表示。

5. 再次分开：分别从上述特征层中分离出宽度和高度方向的特征：

一个分支得到特征层 [C, 1, H]。
另一个分支得到特征层 [C, 1, W]。

6. 转置：对分开的两个特征层进行转置操作，以恢复宽度和高度的维度，得到两个特征层分别为 [C, H, 1] 和 [C, 1, W]。

7. 通道调整和 Sigmoid：对两个分开的特征层分别应用 1×1 卷积，以调整通道数，使其适应注意力计算。然后，应用 Sigmoid 激活函数，得到在宽度和高度维度上的注意力分数。这些分数用于指示不同位置的重要性。

8. 应用注意力：将原始输入特征图与宽度和高度方向上的注意力分数相乘，得到 CA 注意力机制的输出。

2.YOLOv5添加注意力机制

在models/common.py文件中增加以下模块：

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F


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, 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, inp, kernel_size=1, stride=1, padding=0)
        self.conv_w = nn.Conv2d(mip, inp, 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 = torch.split(y, [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_w * a_h

        return out

在models/yolo.py文件下里的parse_model函数将类名加入进去，如下图：

创建添加CA模块的YOLOv5的yaml配置文件如下：

# YOLOv5 🚀 by Ultralytics, AGPL-3.0 license

# Parameters
nc: 80  # number of classes
depth_multiple: 0.33  # model depth multiple
width_multiple: 0.50  # layer channel multiple
anchors:
  - [10,13, 16,30, 33,23]  # P3/8
  - [30,61, 62,45, 59,119]  # P4/16
  - [116,90, 156,198, 373,326]  # P5/32

# YOLOv5 v6.0 backbone
backbone:
  # [from, number, module, args]
  [[-1, 1, Focus, [64, 6, 2, 2]],  # 0-P1/2
   [-1, 1, Conv, [128, 3, 2]],  # 1-P2/4
   [-1, 3, C3, [128]],
   [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]],  # 3-P3/8
   [-1, 6, C3, [256]],
   [-1, 1, CoordAtt, []],
   [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]],  # 6-P4/16
   [-1, 9, C3, [512]],
   [-1, 1, CoordAtt, []],
   [-1, 1, Conv, [1024, 3, 2]],  # 9-P5/32
   [-1, 3, C3, [1024]],
   [-1, 1, CoordAtt, []],
   [-1, 1, SPPF, [1024, 5]],  # 12
  ]

# YOLOv5 v6.0 head
head:
  [[-1, 1, Conv, [512, 1, 1]],
   [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']],
   [[-1, 8], 1, Concat, [1]],  # cat backbone P4
   [-1, 3, C3, [512, False]],  # 13

   [-1, 1, Conv, [256, 1, 1]],
   [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']],
   [[-1, 5], 1, Concat, [1]],  # cat backbone P3
   [-1, 3, C3, [256, False]],  # 17 (P3/8-small)

   [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]],
   [[-1, 17], 1, Concat, [1]],  # cat head P4
   [-1, 3, C3, [512, False]],  # 20 (P4/16-medium)

   [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]],
   [[-1, 13], 1, Concat, [1]],  # cat head P5
   [-1, 3, C3, [1024, False]],  # 23 (P5/32-large)

   [[20, 23, 26], 1, Detect, [nc, anchors]],  # Detect(P3, P4, P5)
  ]

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作者简介

段小手，曾供职于百度、敦煌网、慧聪网、方正集团等知名IT企业。有多年的科技项目管理及开发经验。负责的项目曾获得“国家发改委电子商务示范项目”“中关村现代服务业试点项目”“北京市信息化基础设施提升专项”“北京市外贸公共服务平台”等多项政策支持。著有《深入浅出Python机器学习》《深入浅出Python量化交易实战》等著作，在与云南省公安厅合作期间，使用机器学习算法有效将某类案件发案率大幅降低。