YOLOv5改进系列（1）——添加SE注意力机制

2023-08-17 4131

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简介： YOLOv5改进系列（1）——添加SE注意力机制

前言

从这篇开始我们进入YOLOv5改进系列。那就先从最简单的添加注意力机制开始吧！（￣︶￣）↗

【YOLOv5改进系列】前期回顾：

YOLOv5改进系列（0）——重要性能指标与训练结果评价及分析

🚀一、什么是注意力机制？

我们先来看一张图片，这个是前段时间微博之夜的

那大家的目光更多停留在是在五个美女身上，还是在张大大身上呢？（大大老师骚瑞~ORZ）

同样的，不同的粉丝更加关注的对象也是不同的。

再举几个栗子：

看人-->看脸

看文章-->看标题

看段落-->看开头

这时候大家应该大致知道注意力机制是个什么东西了吧~

原理

注意力机制其实是源自于人对于外部信息的处理能力。由于人每一时刻接受的信息都是无比的庞大且复杂，远远超过人脑的处理能力，因此人在处理信息的时候，会将注意力放在需要关注的信息上，对于其他无关的外部信息进行过滤，这种处理方式被称为注意力机制。

我用通俗的大白话解释一下：注意力呢，对于我们人来说可以理解为“关注度”，对于没有感情的机器来说其实就是赋予多少权重(比如0-1之间的小数)，越重要的地方或者越相关的地方就赋予越高的权重。

作用

1.提高模型的准确性: 注意力机制可以帮助模型更好地关注重要的信息，从而提高模型的准确性。
2.模型解释性更强: 注意力机制可以让模型更好地解释其决策过程，从而提高模型的可解释性。
3.可以处理不定长的序列数据: 注意力机制可以处理不定长的序列数据，比如文本数据、语音数据等。

不足

1.计算量大:注意力机制需要计算每个位置的权重，因此计算量较大，训练时间较长。
2.可能出现过拟合: 如果注意力机制的权重过于复杂，可能会导致过拟合的问题。
3.可能需要更多的数据: 注意力机制需要更多的数据来训练和优化，否则可能会出现欠拟合的问题。

更多关于注意力机制的讲解，欢迎大家看我的这篇文章（自认为写的还行）：【Transformer系列（2）】注意力机制、自注意力机制、多头注意力机制、通道注意力机制、空间注意力机制超详细讲解

🚀二、SE注意力机制原理

本人的SE论文精读：经典神经网络论文超详细解读（七）——SENet（注意力机制）学习笔记（翻译＋精读＋代码复现）

本人的SE代码复现：SENet代码复现＋超详细注释（PyTorch）

2.1 方法介绍

SE注意力机制（Squeeze-and-Excitation Networks）在通道维度增加注意力机制，关键操作是squeeze和excitation。

通过自动学习的方式，使用另外一个新的神经网络，获取到特征图的每个通道的重要程度，然后用这个重要程度去给每个特征赋予一个权重值，从而让神经网络重点关注某些特征通道。提升对当前任务有用的特征图的通道，并抑制对当前任务用处不大的特征通道。

如下图所示，在输入SE注意力机制之前，特征图的每个通道的重要程度都是一样的，通过SENet之后，不同颜色代表不同的权重，使每个特征通道的重要性变得不一样了，使神经网络重点关注某些权重值大的通道。

2.2 网络结构

1.Ftr—传统卷积操作：对于一个C×W×H的输入X，在经过Ftr卷积操作之后，得到的输出Uc（也就是C个大小为H×W的特征图）

2.Fsq—压缩：Fsq操作就是使用通道的全局平均池化，将包含全局信息的W×H×C的特征图直接压缩成一个1×1×C的特征向量，即将每个二维通道变成一个具有全局感受野的数值，此时1个像素表示1个通道，屏蔽掉空间上的分布信息，更好的利用通道间的相关性。

3.Fex—激励：采用两个全连接层+两个激活函数组成的结构输出和输入特征同样数目的权重值，也就是每个特征通道的权重系数。

(1)第一个FC层：ReLU （δ）

(2)第二个FC层：Sigmoid（σ）

4.Fscale —权重：将Excitation输出的权重看做每个特征通道的重要性，也就是对于U每个位置上的所有H×W上的值都乘上对应通道的权值，完成对原始特征的重校准。

🚀 三、添加SE注意力机制方法

在介绍方法前我们先来回顾一下YOLOv5内一会儿要修改的文件：

models/common.py：这个文件存放着YOLOv5网络搭建常见的通用模块。如果我们需要修改某一模块，那么就需要修改这个文件中对应模块的定义。

models/yolo.py：这是YOLO的特定模块，和网络构建有关。这个文件主要由三个部分：parse_model函数、Detect类和Model类组成。其中parse_model方法是对网络结构进行整体搭建，同时起到注册common.py中各类模块的作用。

models/yolov5s.yaml(以s结构为例)：网络的配置文件，models/yolo.py依据这个配置文件中的信息对整体网络进行构建。YOLOv5s网络是YOLOv5系列中深度最小，特征图的宽度最小的网络。其他的三种都是在此基础上不断加深，不断加宽。

3.1 添加顺序

（1）models/common.py --> 加入新增的网络结构

（2） models/yolo.py --> 设定网络结构的传参细节，将SE类名加入其中。（当新的自定义模块中存在输入输出维度时，要使用qw调整输出维度）

（3） models/yolov5*.yaml --> 新建一个文件夹，如yolov5s_SE.yaml，修改现有模型结构配置文件。（当引入新的层时，要修改后续的结构中的from参数）

（4） train.py --> 修改‘--cfg’默认参数，训练时指定模型结构配置文件

3.2 具体添加步骤

第①步：在common.py中添加SE模块

将下面的SE代码复制粘贴到common.py文件的末尾

class SE(nn.Module):
    def __init__(self, c1, c2, r=16):
        super(SE, self).__init__()
        self.avgpool = nn.AdaptiveAvgPool2d(1)
        self.l1 = nn.Linear(c1, c1 // r, bias=False)
        self.relu = nn.ReLU(inplace=True)
        self.l2 = nn.Linear(c1 // r, c1, bias=False)
        self.sig = nn.Sigmoid()
    def forward(self, x):
        print(x.size())
        b, c, _, _ = x.size()
        y = self.avgpool(x).view(b, c)
        y = self.l1(y)
        y = self.relu(y)
        y = self.l2(y)
        y = self.sig(y)
        y = y.view(b, c, 1, 1)
        return x * y.expand_as(x)

如下图所示：

第②步：在yolo.py文件里的parse_model函数加入类名

首先找到yolo.py里面parse_model函数的这一行

然后把SE添加到这个注册表里面

第③步：创建自定义的yaml文件

首先在models文件夹下复制yolov5s.yaml 文件，粘贴并重命名为 yolov5s_SE.yaml

接着修改yolov5s_SE.yaml，将 SE加到我们想添加的位置。

注意力机制可以添加在backbone，Neck，Head等部分，常见的有两种：一是在主干的 SPPF 前添加一层；二是将backbone中的C3全部替换。不同的位置效果可能不同，需要我们用数据集反复测试，“调参大师”就是这样诞生的~

在这里我是用第一种：将 [-1，1，SE，[1024]]添加到 SPPF 的上一层，即下图中所示位置：

这里回顾一下[from, number, module, args]四个参数含义：

from ： 表示当前模块的输入来自那一层的输出，-1表示将上一层的输出当做自己的输入（第0层的-1表示输入的图像）。

number： 表示当前模块的重复次数，实际的重复次数还要由上面的参数depth_multiple共同决定，决定网络模型的深度。

module： 表示该层模块的名称，这些模块写在common.py中，进行模块化的搭建网络。

args： 表示类的初始化参数，用于解析作为 moudle 的传入参数，会在网络搭建过程中根据不同层进行改变。

这时要注意一个问题：

当在网络中添加了新的层之后，那么该层网络后续的层的编号都会发生改变，原本Detect指定的是[ 17 , 20 , 23 ]层，所以在我们添加了SE注意力层之后也要Detect对这里进行修改，即原来的17层变成了18 层；原来的20层变成了21 层；原来的23层变成了24 层；所以Detecet的from系数要改为[ 18 , 21 , 24 ] 。如下图所示：

修改后：

同样的，Concat的from系数也要修改，这样才能保持原网络结构不发生特别大的改变，我们刚才把SE层加到了第9层，所以第9层之后的编号都会加1，这里我们要把后面两个Concat的from系数分别由[ − 1 , 14 ] , [ − 1 , 10 ]改为[ − 1 , 15 ] , [ − 1 , 11 ]。如下图所示：