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本文给大家带来的改进机制是RFAConv#xff0c;全称为Receptive-Field Attention Convolution#xff0c;是一种全新的空间注意力机制。与传统的空间注意力方法相比#xff0c;RFAConv能够更有效地处理图像中的细节和复杂模式(适用于所有的检测对象都有一定的… 一、本文介绍
本文给大家带来的改进机制是RFAConv全称为Receptive-Field Attention Convolution是一种全新的空间注意力机制。与传统的空间注意力方法相比RFAConv能够更有效地处理图像中的细节和复杂模式(适用于所有的检测对象都有一定的提点)。这不仅让YOLOv5在识别和定位目标时更加精准还大幅提升了处理速度和效率。本文章深入会探讨RFAConv如何在YOLOv5中发挥作用以及它是如何改进在我们的YOLOv5中的。我将通过案例的角度来带大家分析其有效性(结果训练结果对比图)。
适用检测目标亲测所有的目标检测均有一定的提点
推荐指数⭐⭐⭐⭐⭐ 专栏回顾YOLOv5改进专栏——持续复现各种顶会内容——内含100创新 实验结果对比图- 目录 一、本文介绍
二、RFAConv结构讲解
2.1、RAFCAonv主要思想
2.2、感受野空间特征
2.3、解决参数共享问题
2.4、提高大尺寸卷积核的效率
三、RFAConv核心代码
四、手把手教你添加RFAConv和C3f_RFAConv模块 4.1 细节修改教程
4.1.1 修改一
4.1.2 修改二
4.1.3 修改三
4.1.4 修改四
4.2 RFAConv的yaml文件
4.2.1 RFAConv的yaml文件一
4.2.2 RFAConv的yaml文件二
4.2.3 RFAConv的yaml文件三
4.3 RFAConv运行成功截图
4.4 推荐RFAConv可添加的位置
五、本文总结 二、RFAConv结构讲解
论文地址官方论文地址
代码地址官方代码地址
2.1、RAFCAonv主要思想
RFAConvReceptive-Field Attention Convolution的主要思想是将空间注意力机制与卷积操作相结合从而提高卷积神经网络CNN的性能。这种方法的核心在于优化卷积核的工作方式特别是在处理感受野内的空间特征时。以下是RFAConv的几个关键思想
1. 感受野空间特征的重点关注RFAConv特别关注于感受野内的空间特征不仅仅局限于传统的空间维度。这种方法允许网络更有效地理解和处理图像中的局部区域从而提高特征提取的精确性。
2. 解决参数共享问题在传统的CNN中卷积核在处理不同区域的图像时共享同样的参数这可能限制了模型对于复杂模式的学习能力。RFAConv通过引入注意力机制能够更灵活地调整卷积核的参数针对不同区域提供定制化的处理。
3. 提高大尺寸卷积核的效率对于大尺寸卷积核仅使用标准的空间注意力可能不足以捕获所有重要的信息。RFAConv通过提供有效的注意力权重使得大尺寸卷积核能够更有效地处理图像信息。 总结RFAConv通过结合空间注意力和感受野特征的处理为卷积神经网络提供了一种新的、更高效的方式来提取和处理图像特征尤其是在处理复杂或大尺寸的输入时。 下面我来分别介绍这几点- 2.2、感受野空间特征
感受野空间特征是指卷积神经网络CNN中卷积层能“看到”的输入数据的局部区域。在CNN中每个卷积操作的输出是基于输入数据的一个小窗口或者说是一个局部感受野。这个感受野定义了卷积核可以接触到的输入数据的大小和范围。
感受野的概念对于理解CNN如何从输入数据中提取特征是至关重要的。在网络的初级层感受野通常很小允许模型捕捉到细微的局部特征如边缘和角点。随着数据通过更多的卷积层通过层层叠加感受野逐渐扩大允许网络感知到更大的区域捕捉到更复杂的特征如纹理和对象的部分。
在CNN的上下文中感受野空间特征指的是每个卷积操作能够感知的输入图像区域中的特征。这些特征可以包括颜色、形状、纹理等基本视觉元素。在传统的卷积网络中感受野通常是固定的并且每个位置的处理方式都是相同的。但是如果网络能够根据每个区域的不同特点来调整感受野的处理方式那么网络对特征的理解就会更加精细和适应性更强。
上图展示了一个3x3的卷积操作。在这个操作中特征是通过将卷积核与同样大小的感受野滑块相乘然后求和得到的。具体来说输入图像X上的每一个3x3的区域即感受野都被一个3x3的卷积核K处理。每个感受野内的元素,其中i和j表示在感受野内的位置都与卷积核K内对应位置的权重,相乘然后这些乘积会被求和得到一个新的特征值F。这个过程在整个输入图像上滑动进行以生成新的特征图。这种标准的卷积操作强调了局部连接和权重共享的概念即卷积核的权重对整个输入图。 总结在RFAConv中感受野空间特征被用来指导注意力机制这样模型就不仅仅关注于当前层的特定区域而是根据输入数据的复杂性和重要性动态调整感受野。通过这种方式RFAConv能够为不同区域和不同尺寸的感受野提供不同的处理使得网络能够更加有效地捕捉和利用图像中的信息。 2.3、解决参数共享问题
RFAConv卷积以解决参数共享问题RFAConv通过引入注意力机制允许网络为每个感受野生成特定的权重。这样卷积核可以根据每个感受野内的不同特征动态调整其参数而不是对所有区域一视同仁。
具体来说RFAConv利用空间注意力来确定感受野中每个位置的重要性并据此调整卷积核的权重。这样每个感受野都有自己独特的卷积核而不是所有感受野共享同一个核。这种方法使得网络能够更细致地学习图像中的局部特征从而有助于提高整体网络性能。
通过这种方法RFAConv提升了模型的表达能力允许它更精确地适应和表达输入数据的特征尤其是在处理复杂或多变的图像内容时。
上图展示了一个卷积操作的过程其中卷积核参数 通过将注意力权重 与卷积核参数 K 相乘得到。这意味着每个感受野滑块的卷积操作都有一个独特的卷积核参数这些参数是通过将通用的卷积核参数与特定于该位置的注意力权重相结合来获得的。
具体地说这个过程将注意力机制与卷积核相结合为每个感受野位置产生一个定制化的卷积核。例如图中的 Kernel 1、Kernel 2 和 Kernel 3 分别是通过将通用卷积核参数 K 与对应的注意力权重 、 和 相乘得到的。这种方法允许网络在特征提取过程中对不同空间位置的特征赋予不同的重要性从而增强了模型对关键特征的捕获能力。 总结:这样的机制增加了卷积神经网络的表达能力使得网络能够更加灵活地适应不同的输入特征并有助于提高最终任务的性能。这是一种有效的方式来处理传统卷积操作中的参数共享问题因为它允许每个位置的卷积核适应其处理的特定区域。 2.4、提高大尺寸卷积核的效率
RFAConv通过利用感受野注意力机制来动态调整卷积核的权重从而为每个区域的特征提取提供了定制化的关注度。这样即便是大尺寸卷积核也能够更加有效地捕捉和处理重要的空间特征而不会对不那么重要的信息分配过多的计算资源。
具体来说RFAConv方法允许网络识别和强调输入特征图中更重要的区域并且根据这些区域调整卷积核的权重。这意味着网络可以对关键特征进行重加权使得大尺寸卷积核不仅能够捕捉到广泛的信息同时也能够集中计算资源在更有信息量的特征上从而提升了整体的处理效率和网络性能。
上图描述了感受野滑块中特征的重叠这是在标准卷积操作中常见的现象。特征的重叠导致了注意力权重的共享问题意味着不同的感受野可能会对相同的输入特征使用相同的注意力权重。
在图中,,...代表不同感受野滑块内的特征输出它们是通过将输入特征 X 与对应的注意力权重 A 以及卷积核 K 的权重进行逐元素乘法运算后得到的。例如 是通过将 乘以对应的注意力权重 和卷积核权重 计算得到的以此类推。
该图强调了每个感受野滑块内的卷积操作的参数不应该完全共享而是应该根据每个特定区域内的特征和相应的注意力权重进行调整。这种调整允许网络对每个局部区域进行更加精细的处理能够更好地捕捉和响应输入数据的特定特征而不是简单地对整个图像应用相同的权重。这样的方法能够提升网络对特征的理解和表示从而改善最终的学习和预测性。 总结通过这种方法RFAConv提升了模型的表达能力允许它更精确地适应和表达输入数据的特征尤其是在处理复杂或多变的图像内容时。这种灵活的参数调整机制为提高卷积神经网络的性能和泛化能力提供了新的途径。 三、RFAConv核心代码
# 大家在使用的时候注意这个卷积设计的时候有点问题只能当输入输出相等的来使用否则会报错后面我给大家准备了三种yaml文件均可运行。
import torch
from torch import nn
from einops import rearrangedef autopad(k, pNone, d1): # kernel, padding, dilation# Pad to same shape outputsif d 1:k d * (k - 1) 1 if isinstance(k, int) else [d * (x - 1) 1 for x in k] # actual kernel-sizeif p is None:p k // 2 if isinstance(k, int) else [x // 2 for x in k] # auto-padreturn pclass Conv(nn.Module):# Standard convolution with args(ch_in, ch_out, kernel, stride, padding, groups, dilation, activation)default_act nn.SiLU() # default activationdef __init__(self, c1, c2, k1, s1, pNone, g1, d1, actTrue):super().__init__()self.conv nn.Conv2d(c1, c2, k, s, autopad(k, p, d), groupsg, dilationd, biasFalse)self.bn nn.BatchNorm2d(c2)self.act self.default_act if act is True else act if isinstance(act, nn.Module) else nn.Identity()def forward(self, x):return self.act(self.bn(self.conv(x)))def forward_fuse(self, x):return self.act(self.conv(x))class RFAConv(nn.Module): # 基于Unfold实现的RFAConvdef __init__(self, in_channel, out_channel, kernel_size3):super().__init__()self.kernel_size kernel_sizeself.unfold nn.Unfold(kernel_size(kernel_size, kernel_size), paddingkernel_size // 2)self.get_weights nn.Sequential(nn.Conv2d(in_channel * (kernel_size ** 2), in_channel * (kernel_size ** 2), kernel_size1,groupsin_channel),nn.BatchNorm2d(in_channel * (kernel_size ** 2)))self.conv nn.Conv2d(in_channel, out_channel, kernel_sizekernel_size, padding0, stridekernel_size)self.bn nn.BatchNorm2d(out_channel)self.act nn.ReLU()def forward(self, x):b, c, h, w x.shapeunfold_feature self.unfold(x) # 获得感受野空间特征 b c*kernel**2,h*wx unfold_featuredata unfold_feature.unsqueeze(-1)weight self.get_weights(data).view(b, c, self.kernel_size ** 2, h, w).permute(0, 1, 3, 4, 2).softmax(-1)weight_out rearrange(weight, b c h w (n1 n2) - b c (h n1) (w n2), n1self.kernel_size,n2self.kernel_size) # b c h w k**2 - b c h*k w*kreceptive_field_data rearrange(x, b (c n1) l - b c n1 l, n1self.kernel_size ** 2).permute(0, 1, 3,2).reshape(b, c,h, w,self.kernel_size ** 2) # b c*kernel**2,h*w - b c h w k**2data_out rearrange(receptive_field_data, b c h w (n1 n2) - b c (h n1) (w n2), n1self.kernel_size,n2self.kernel_size) # b c h w k**2 - b c h*k w*kconv_data data_out * weight_outconv_out self.conv(conv_data)return self.act(self.bn(conv_out))class Bottleneck(nn.Module):# Standard bottleneckdef __init__(self, c1, c2, shortcutTrue, g1, e0.5): # ch_in, ch_out, shortcut, groups, expansionsuper().__init__()c_ int(c2 * e) # hidden channelsself.cv1 Conv(c1, c_, 1, 1)self.cv2 RFAConv(c_, c2, 3)self.add shortcut and c1 c2def forward(self, x):return x self.cv2(self.cv1(x)) if self.add else self.cv2(self.cv1(x))class C3_RFAConv(nn.Module):# CSP Bottleneck with 3 convolutionsdef __init__(self, c1, c2, n1, shortcutTrue, g1, e0.5): # ch_in, ch_out, number, shortcut, groups, expansionsuper().__init__()c_ int(c2 * e) # hidden channelsself.cv1 Conv(c1, c_, 1, 1)self.cv2 Conv(c1, c_, 1, 1)self.cv3 Conv(2 * c_, c2, 1) # optional actFReLU(c2)self.m nn.Sequential(*(Bottleneck(c_, c_, shortcut, g, e1.0) for _ in range(n)))def forward(self, x):return self.cv3(torch.cat((self.m(self.cv1(x)), self.cv2(x)), 1)) 四、手把手教你添加RFAConv和C3f_RFAConv模块 4.1 细节修改教程
4.1.1 修改一
我们找到如下的目录yolov5-master/models在这个目录下创建一个文件目录(注意是目录因为我这个专栏会出很多的更新这里用一种一劳永逸的方法)文件目录起名modules然后在下面新建一个文件将我们的代码复制粘贴进去。 4.1.2 修改二
然后新建一个__init__.py文件然后我们在里面添加一行代码。注意标记一个.其作用是标记当前目录。 4.1.3 修改三
然后我们找到如下文件models/yolo.py在开头的地方导入我们的模块按照如下修改-
(如果你看了我多个改进机制此处只需要添加一个即可无需重复添加)
4.1.4 修改四
然后我们找到parse_model方法按照如下修改- 到此就修改完成了复制下面的ymal文件即可运行。 4.2 RFAConv的yaml文件
4.2.1 RFAConv的yaml文件一
下面的配置文件为我修改的RFAConv的位置参数的位置里面什么都不用添加空着就行大家复制粘贴我的就可以运行同时我提供多个版本给大家根据我的经验可能涨点的位置。
# YOLOv5 by Ultralytics, AGPL-3.0 license# Parameters
nc: 80 # number of classes
depth_multiple: 0.33 # model depth multiple
width_multiple: 0.25 # 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, SPPF, [1024, 5]], # 9]# 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]], # 13[-1, 1, Conv, [256, 1, 1]],[-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, nearest]],[[-1, 4], 1, Concat, [1]], # cat backbone P3[-1, 3, C3_RFAConv, [256, False]], # 17 (P3/8-small)[-1, 1, Conv, [256, 3, 2]],[[-1, 14], 1, Concat, [1]], # cat head P4[-1, 3, C3_RFAConv, [512, False]], # 20 (P4/16-medium)[-1, 1, Conv, [512, 3, 2]],[[-1, 10], 1, Concat, [1]], # cat head P5[-1, 3, C3_RFAConv, [1024, False]], # 23 (P5/32-large)[[17, 20, 23], 1, Detect, [nc, anchors]], # Detect(P3, P4, P5)] 4.2.2 RFAConv的yaml文件二
# YOLOv5 by Ultralytics, AGPL-3.0 license# Parameters
nc: 80 # number of classes
depth_multiple: 0.33 # model depth multiple
width_multiple: 0.25 # 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, SPPF, [1024, 5]], # 9]# YOLOv5 v6.0 head
head:[[-1, 1, RFAConv, [512]],[-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, nearest]],[[-1, 6], 1, Concat, [1]], # cat backbone P4[-1, 3, C3, [512, False]], # 13[-1, 1, RFAConv, [256]],[-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, nearest]],[[-1, 4], 1, Concat, [1]], # cat backbone P3[-1, 3, C3, [256, False]], # 17 (P3/8-small)[-1, 1, Conv, [256, 3, 2]],[[-1, 14], 1, Concat, [1]], # cat head P4[-1, 3, C3, [512, False]], # 20 (P4/16-medium)[-1, 1, Conv, [512, 3, 2]],[[-1, 10], 1, Concat, [1]], # cat head P5[-1, 3, C3, [1024, False]], # 23 (P5/32-large)[[17, 20, 23], 1, Detect, [nc, anchors]], # Detect(P3, P4, P5)] 4.2.3 RFAConv的yaml文件三
注意此版本的我再大目标小目标中目标三个曾的后面添加了一个注意力机制此版本需要显存较大可以根据自己的需求增删如果修改大家要注意修改Detect里面的检测层数。
# YOLOv5 by Ultralytics, AGPL-3.0 license# Parameters
nc: 80 # number of classes
depth_multiple: 0.33 # model depth multiple
width_multiple: 0.25 # 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, SPPF, [1024, 5]], # 9]# 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]], # 13[-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]], # 17 (P3/8-small)[-1, 1, RFAConv, [256]], #18[-1, 1, Conv, [256, 3, 2]],[[-1, 14], 1, Concat, [1]], # cat head P4[-1, 3, C3, [512, False]], # 21 (P4/16-medium)[-1, 1, RFAConv, [512]], # 22[-1, 1, Conv, [512, 3, 2]],[[-1, 10], 1, Concat, [1]], # cat head P5[-1, 3, C3, [1024, False]], # 25 (P5/32-large)[-1, 1, RFAConv, [1024]], #26[[18, 22, 26], 1, Detect, [nc, anchors]], # Detect(P3, P4, P5)] 4.3 RFAConv运行成功截图
附上我的运行记录确保我的教程是可用的。 4.4 推荐RFAConv可添加的位置
RFAConv是一种即插即用的可替换注意力机制的模块其可以添加的位置有很多添加的位置不同效果也不同所以我下面推荐几个添加的位置大家可以进行参考当然不一定要按照我推荐的地方添加。 残差连接中在残差网络的残差连接中加入RFAConv(yaml文件一)。 Neck部分YOLOv8的Neck部分负责特征融合这里添加修改后的C3_RFAConv可以帮助模型更有效地融合不同层次的特征(yaml文件二)。 检测头可以再检测头前面添加(yaml文件三) 检测头中可以再检测头的内部添加该机制(未提供因为需要修改检测头比较麻烦后期专栏收费后大家购买专栏之后大家会得到一个包含上百个机制的v5文件里面包含所有的改进机制) 五、本文总结
到此本文的正式分享内容就结束了在这里给大家推荐我的YOLOv5改进有效涨点专栏本专栏目前为新开的平均质量分98分后期我会根据各种最新的前沿顶会进行论文复现也会对一些老的改进机制进行补充目前本专栏免费阅读(暂时大家尽早关注不迷路~)如果大家觉得本文帮助到你了订阅本专栏关注后续更多的更新~ 专栏回顾YOLOv5改进专栏——持续复现各种顶会内容——内含100创新
