YOLOv11改进策略【卷积层】| GnConv：一种通过门控卷积和递归设计来实现高效、可扩展、平移等变的高阶空间交互操作

2025-02-04 429

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简介： YOLOv11改进策略【卷积层】| GnConv：一种通过门控卷积和递归设计来实现高效、可扩展、平移等变的高阶空间交互操作

一、本文介绍

本文记录的是利用GnConv优化YOLOv11的目标检测方法研究。YOLOv11在进行目标检测时，需要对不同层次的特征进行融合。GnConv可以考虑更高阶的空间交互，==能够更好地捕捉特征之间的复杂关系，从而增强特征融合的效果==，提高模型对目标的检测能力。

专栏目录：YOLOv11改进目录一览 | 涉及卷积层、轻量化、注意力、损失函数、Backbone、SPPF、Neck、检测头等全方位改进
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二、HorNet原理介绍

HorNet：利用递归门控卷积实现高效高阶空间交互

GnConv（Recursive Gated Convolution，递归门控卷积）是论文中提出的一种高效操作，用于实现长期和高阶空间交互，其设计原理、计算公式和优势如下：

2.1、GnConv设计原理

输入自适应交互与门控卷积：Vision Transformer的成功主要依赖于对视觉数据中空间交互的适当建模，与简单使用静态卷积核聚合相邻特征的CNN不同，Vision Transformer应用多头自注意力来动态生成权重以混合空间标记，但自注意力关于输入大小的二次复杂度在很大程度上阻碍了其应用，尤其是在需要更高分辨率特征图的下游任务中。在这项工作中，作者寻求一种更有效和高效的方法来执行空间交互，使用门控卷积（gConv）来实现输入自适应的空间混合。
高阶交互与递归门控：在通过gConv实现了高效的一阶空间交互后，作者设计了递归门控卷积（GnConv）来通过引入高阶交互进一步增强模型容量。具体来说，首先使用多个线性投影层（$\phi_{in}$）获得一组投影特征（$p_0$和$qk$），然后通过递归的方式执行门控卷积（$p{k + 1} = f_k(q_k) \odot g_k(p_k) / \alpha$），其中$f_k$是一组深度卷积层，$g_k$用于匹配不同阶的维度，最后将最后一次递归步骤的输出$qn$送入投影层$\phi{out}$以获得$g^{n}Conv$的结果。从递归公式可以看出，$p_k$的交互阶数在每一步后都会增加1，因此$gnConv$实现了$n$阶空间交互。
大核卷积与长期交互：为了使$GnConv$能够捕捉长期交互，作者采用了两种实现方式来处理深度卷积$f$：
- 7×7卷积：7×7是Swin Transformers和ConvNext的默认窗口/核大小，研究表明该核大小在ImageNet分类和各种下游任务中产生良好性能，因此作者遵循此配置以公平地与代表性的Vision Transformer和现代CNN进行比较。
- 全局滤波器（GF）：GF层通过将频域特征与可学习的全局滤波器相乘，相当于在空间域中进行具有全局核大小和循环填充的卷积。作者使用了GF层的修改版本，即处理一半的通道与全局滤波器相乘，另一半与3×3深度卷积相乘，并仅在后期阶段使用GF层以保留更多局部细节。

2.2、GnConv计算公式

门控卷积输出：

令$x \in \mathbb{R}^{H W \times C}$为输入特征，门控卷积$y = gConv(x)$的输出可写为：
$\begin{array}{r}
{\left[p{0}^{H W \times C}, q{0}^{H W \times C}\right]=\phi{in }(x) \in \mathbb{R}^{H W \times 2 C},} \
y = f\left(q{0}\right) \odot p{0} \in \mathbb{R}^{H W \times C}, \
y = \phi{out }\left(p_{1}\right) \in \mathbb{R}^{H W \times C},
\end{array}$

其中$\phi{in}$和$\phi{out}$是线性投影层以执行通道混合，$f$是深度卷积。注意到$p{1}^{(i, c)}=\sum{j \in \Omega{i}} w{i \to j}^{c} q{0}^{(j, c)} p{0}^{(i, c)}$，其中$\Omega{i}$是以为$i$中心的局部窗口，$w{i \to j}$代表卷积权重。

递归门控卷积：
$\begin{aligned}
&\left[p{0}^{H W \times C{0}}, q{0}^{H W \times C{0}}, \ldots, q{n - 1}^{H W \times C{n - 1}}\right]=\phi{in }(x) \in \mathbb{R}^{H W \times\left(C{0} + \sum{0 \leq k \leq n - 1} C{k}\right)}, \
&p{k + 1} = f{k}\left(q{k}\right) \odot g{k}\left(p{k}\right) / \alpha, k = 0, 1, \ldots, n - 1,
\end{aligned}$
其中$g{k}$的定义为：$g{k}=\begin{cases}Identity, & k = 0 \Linear\left(C{k - 1}, C_{k}\right), & 1 \leq k \leq n - 1\end{cases}$。
计算复杂度：总FLOPs为：$FLOPs\left(g^{n}Conv\right) < HW C\left(2K^{2} + \frac{11}{3} \times C + 2\right)$，其中$K$是深度卷积的核大小。