YOLOv5改进 | 注意力机制 | 理解全局和局部信息的SE注意力机制

在深度学习目标检测领域，YOLOv5成为了备受关注的模型之一。本文给大家带来的是能够理解全局和局部信息的SE注意力机制。文章在介绍主要的原理后，将手把手教学如何进行模块的代码添加和修改，并将修改后的完整代码放在文章的最后，方便大家一键运行，小白也可轻松上手实践。以帮助您更好地学习深度学习目标检测YOLO系列的挑战。

专栏地址：YOLOv5改进+入门——持续更新各种有效涨点方法

1. 原理

2.YOLOv5添加SE模块

2.1 SE模块代码

2.2 新增yaml文件

2.3 注册模块

2.4 执行程序

3.总结

1. 原理

论文地址：Squeeze-and-Excitation Networks点击即可跳转

官方代码：SENet官方代码地址点击即可跳转

对于CNN网络来说，核心计算是卷积算子，通过卷积核从输入特征图学习到新特征图。从本质上讲，卷积是对一个局部区域进行特征融合，这包括空间上（H和W维度）以及通道间（C维度）的特征融合。

对于卷积操作，很大一部分改进工作是提高感受野，即空间上融合更多特征，或者是提取多尺度空间信息，如Inception网络的多分支结构。对于channel维度的特征融合，卷积操作基本上默认对输入特征图的所有channel进行融合。而MobileNet网络中的组卷积（Group Convolution）和深度可分离卷积（Depthwise Separable Convolution）对channel进行分组也主要是为了使模型更加轻量级，减少计算量。

SENet网络的创新点在于关注channel之间的关系，希望模型可以自动学习到不同channel特征的重要程度。为此，SENet提出了Squeeze-and-Excitation (SE)模块，如下图所示

SE模块首先对卷积得到的特征图进行Squeeze操作，得到channel级的全局特征（SENet提出Squeeze操作，将一个channel上整个空间特征编码为一个全局特征，采用global average pooling来实现），然后对全局特征进行Excitation操作（这里采用sigmoid形式的gating机制），学习各channel间的关系，得到不同channel的权重，最后乘以原来的特征图得到最终特征。本质上，SE模块是在channel维度上做attention或者gating操作，这种注意力机制让模型可以更加关注信息量最大的channel特征，而抑制不重要的channel特征。另外一点是SE模块是通用的，意味着其可以嵌入到现有的网络架构中。

2.YOLOv5添加SE模块

2.1 SE模块代码

关键步骤一：将下面代码添加到 yolov5/models/common.py中

class AdaptiveAvgPool2d(_AdaptiveAvgPoolNd):def forward(self, input: Tensor) -> Tensor:return F.adaptive_avg_pool2d(input, self.output_size)class SE(nn.Module):def __init__(self, c1, c2, ratio=16):super(SE, self).__init__()# c*1*1self.avgpool = nn.AdaptiveAvgPool2d(1)self.l1 = nn.Linear(c1, c1 // ratio, bias=False)self.relu = nn.ReLU(inplace=True)self.l2 = nn.Linear(c1 // ratio, c1, bias=False)self.sig = nn.Sigmoid()def forward(self, x):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)

SE类是一种用于卷积神经网络中的注意力机制模块，旨在增强网络对输入特征的关注。它通过学习得到每个通道的权重，以自适应的方式调整特征图，从而提升网络性能。

构成部分：
1. Squeeze（压缩）阶段：
通过全局平均池化操作将特征图压缩为一个向量，以捕获每个通道的全局特征信息。
然后通过一个或多个全连接层对压缩后的特征向量进行变换，以获得通道相关的表示。

2. Excitation（激励）阶段：
使用激活函数（通常是ReLU）对变换后的特征进行非线性映射，以增强模型的表达能力。
再通过一个或多个全连接层对特征进行进一步的变换，以生成通道注意力权重。

3. Scale（缩放）阶段：
使用Sigmoid函数将通道注意力权重归一化到0到1之间，以表示每个通道的重要性。
将归一化后的权重乘以原始特征图，以对特征进行加权。

流程：

1. 接收输入张量x，该张量的形状为(batch_size, channels, height, width)。
2. 通过全局平均池化操作将每个通道的特征进行压缩，得到一个大小为(batch_size, channels)的全局特征向量。
3. 将全局特征向量通过一个或多个全连接层进行变换，得到每个通道的权重。
4. 对权重进行非线性变换（通常是ReLU激活函数），以增强模型的表达能力。
5. 再次通过全连接层对特征进行变换，得到每个通道的注意力权重。
6. 使用Sigmoid函数将注意力权重归一化到0到1之间，表示每个通道的重要性。
7. 将归一化后的注意力权重与原始特征图相乘，得到加权后的特征表示。
8. 返回加权后的特征张量。

目的：
SE模块的主要目的是通过自适应地调整通道的注意力权重，使模型能够更有效地捕获输入特征的重要信息，从而提高模型的性能和泛化能力。

SE类的实现包括两个主要部分：Squeeze阶段和Excitation阶段，它们共同作用于输入特征，以产生加权后的特征表示，从而增强了模型的表达能力和性能。

2.2 新增yaml文件

关键步骤二：在 /yolov5/models/ 下新建文件 yolov5_se.yaml文件并将下面代码复制进去

# YOLOv5 🚀 by Ultralytics, GPL-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, Conv, [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, Conv, [512, 3, 2]],  # 5-P4/16[-1, 9, C3, [512]],[-1, 1, Conv, [1024, 3, 2]],  # 7-P5/32[-1, 3, C3, [1024]],[-1, 1, SE, [1024]],[-1, 1, SPPF, [1024, 5]],  # 10]# YOLOv5 v6.0 head
head:[[-1, 1, Conv, [512, 1, 1]],[-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']],[[-1, 6], 1, Concat, [1]],  # cat backbone P4[-1, 3, C3, [512, False]],  # 14[-1, 1, Conv, [256, 1, 1]],[-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']],[[-1, 4], 1, Concat, [1]],  # cat backbone P3[-1, 3, C3, [256, False]],  # 18 (P3/8-small)[-1, 1, Conv, [256, 3, 2]],[[-1, 15], 1, Concat, [1]],  # cat head P4[-1, 3, C3, [512, False]],  # 21 (P4/16-medium)[-1, 1, Conv, [512, 3, 2]],[[-1, 11], 1, Concat, [1]],  # cat head P5[-1, 3, C3, [1024, False]],  # 24 (P5/32-large)[[18, 21, 24], 1, Detect, [nc, anchors]],  # Detect(P3, P4, P5)]

温馨提示：因为本文只是对yolov5s基础上添加SE模块，如果要对yolov5n/l/m/x进行添加则只需要修改对应的depth_multiple 和 width_multiple。

2.3 注册模块

关键步骤三：在yolov5/models/yolo.py中注册

大概在250行左右添加 ‘SE’

2.4 执行程序

在train.py中，将cfg的参数路径设置为yolov5_se.yaml的路径，如下图所示

运行程序，如果出现下面的内容则说明添加成功🚀

我修改后的代码：链接: https://pan.baidu.com/s/1FzumcKWlHWHxJGWNQNepyQ?pwd=wikd 提取码: wikd

3.总结

SE（Squeeze-and-Excitation）模块是一种用于增强卷积神经网络特征表示的重要机制。这一模块通过引入通道注意力机制，使得网络能够自适应地调整每个通道的重要性，从而提高了模型的性能和泛化能力。

SE模块包含两个关键阶段：Squeeze阶段和Excitation阶段。在Squeeze阶段，通过全局平均池化操作将每个通道的特征压缩为一个全局特征向量，以捕获全局特征信息。在Excitation阶段，通过一系列线性变换和非线性激活函数，计算每个通道的注意力权重。这些权重用于调整原始特征图中每个通道的重要性，使得网络能够更加关注对任务有用的特征。

SE模块的工作流程如下：首先，接收输入特征张量；然后，在Squeeze阶段，通过全局平均池化操作将每个通道的特征压缩为一个全局特征向量；接着，在Excitation阶段，通过线性变换和激活函数计算每个通道的注意力权重；最后，使用这些注意力权重对原始特征进行加权，并返回加权后的特征表示。

SE模块的主要目的是通过自适应地调整每个通道的注意力权重，增强模型对输入特征的表达能力。这使得模型能够更好地捕获输入数据中的有用信息，从而提高了模型的性能和泛化能力。SE模块可以轻松地集成到各种卷积神经网络结构中，例如ResNet、Inception等，以提升它们在图像分类、目标检测、语义分割等任务中的表现。