YOLOv8改进 | 2023注意力篇 | EMAttention注意力机制（附多个可添加位置）
一、本文介绍
本文给大家带来的改进机制是EMAttention注意力机制，它的核心思想是，重塑部分通道到批次维度，并将通道维度分组为多个子特征，以保留每个通道的信息并减少计算开销。EMA模块通过编码全局信息来重新校准每个并行分支中的通道权重，并通过跨维度交互来捕获像素级别的关系。本文首先给大家提供效果图(由基础版本未作任何修改和修改了本文的改进机制的效果对比图)，然后介绍其主要的原理，最后手把手教大家如何添加该注意力机制。
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训练结果对比图->?
目录
二、EMAttention的框架原理
官方论文地址：?官方论文地址
官方代码地址：?官方代码地址
主要原理是一个新型的高效多尺度注意力（EMA）这个模块通过重塑部分通道到批次维度，并将通道维度分组为多个子特征，以保留每个通道的信息并减少计算开销。EMA模块通过编码全局信息来重新校准每个并行分支中的通道权重，并通过跨维度交互来捕获像素级别的关系。
提出的创新点主要包括：
1. 高效多尺度注意力（EMA）模：这是一种新型的注意力机制，专为计算机视觉任务设计，旨在同时减少计算开销和保留每个通道的关键信息。
2. 通道和批次维度的重组：EMA通过重新组织通道维度和批次维度，提高了模型处理特征的能力。
3. 跨维度交互：模块利用跨维度的交互来捕捉像素级别的关系，这在传统的注意力模型中较为少见。
4. 全局信息编码和通道权重校准：EMA模块在并行分支中编码全局信息，用于通道权重的重新校准，增强了特征表示的能力。
这张图片是文章中提出的高效多尺度注意力（EMA）模块的示意图。"g"表示输入通道被分成的组数。"X Avg Pool"和"Y Avg Pool"分别代表一维水平和垂直的全局池化操作。在EMA模块中，输入首先被分组，然后通过不同的分支进行处理：一个分支进行一维全局池化，另一个通过3x3的卷积进行特征提取。两个分支的输出特征之后通过sigmoid函数和归一化操作进行调制，最终通过跨维度交互模块合并，以捕捉像素级的成对关系。经过最终的sigmoid调节后，输出特征映射以增强或减弱原始输入特征，从而得到最终输出。
三、EMAttention的核心代码?
使用方法看章节四。
import torch
from torch import nn
class EMA(nn.Module):
def __init__(self, channels, factor=32):
super(EMA, self).__init__()
self.groups = factor
assert channels // self.groups > 0
self.softmax = nn.Softmax(-1)
self.agp = nn.AdaptiveAvgPool2d((1, 1))
self.pool_h = nn.AdaptiveAvgPool2d((None, 1))
self.pool_w = nn.AdaptiveAvgPool2d((1, None))
self.gn = nn.GroupNorm(channels // self.groups, channels // self.groups)
self.conv1x1 = nn.Conv2d(channels // self.groups, channels // self.groups, kernel_size=1, stride=1, padding=0)
self.conv3x3 = nn.Conv2d(channels // self.groups, channels // self.groups, kernel_size=3, stride=1, padding=1)
def forward(self, x):
b, c, h, w = x.size()
group_x = x.reshape(b * self.groups, -1, h, w) # b*g,c//g,h,w
x_h = self.pool_h(group_x)
x_w = self.pool_w(group_x).permute(0, 1, 3, 2)
hw = self.conv1x1(torch.cat([x_h, x_w], dim=2))
x_h, x_w = torch.split(hw, [h, w], dim=2)
x1 = self.gn(group_x * x_h.sigmoid() * x_w.permute(0, 1, 3, 2).sigmoid())
x2 = self.conv3x3(group_x)
x11 = self.softmax(self.agp(x1).reshape(b * self.groups, -1, 1).permute(0, 2, 1))
x12 = x2.reshape(b * self.groups, c // self.groups, -1) # b*g, c//g, hw
x21 = self.softmax(self.agp(x2).reshape(b * self.groups, -1, 1).permute(0, 2, 1))
x22 = x1.reshape(b * self.groups, c // self.groups, -1) # b*g, c//g, hw
weights = (torch.matmul(x11, x12) + torch.matmul(x21, x22)).reshape(b * self.groups, 1, h, w)
return (group_x * weights.sigmoid()).reshape(b, c, h, w)四、手把手教你添加EMAttention
4.1?EMAttention添加步骤
4.1.1 步骤一
首先我们找到如下的目录'ultralytics/nn/modules'，然后在这个目录下创建一个py文件，名字可以根据你自己的习惯起，然后将EMAttention的核心代码复制进去。
4.1.2 步骤二
之后我们找到'ultralytics/nn/tasks.py'文件，在其中注册我们的EMAttention模块。
首先我们需要在文件的开头导入我们的EMAttention模块，如下图所示->
4.1.3 步骤三
我们找到parse_model这个方法，可以用搜索也可以自己手动找，大概在六百多行吧。?我们找到如下的地方，然后将EMA添加进去即可，模仿我添加即可。
到此我们就注册成功了，可以修改yaml文件中输入EMAttention使用这个模块了。
五、EMAttention的yaml文件和运行记录
下面推荐几个版本的yaml文件给大家，大家可以复制进行训练，但是组合用很多具体那种最有效果都不一定，针对不同的数据集效果也不一样，我不可每一种都做实验，所以我下面推荐了几种我自己认为可能有效果的配合方式，你也可以自己进行组合。
5.1 EMAttention的yaml版本一(推荐)
下面的添加EMAttention是我实验结果的版本。
# Ultralytics YOLO 🚀, AGPL-3.0 license
# YOLOv8 object detection model with P3-P5 outputs. For Usage examples see https://docs.ultralytics.com/tasks/detect
# Parameters
nc: 80 # number of classes
scales: # model compound scaling constants, i.e. 'model=yolov8n.yaml' will call yolov8.yaml with scale 'n'
# [depth, width, max_channels]
n: [0.33, 0.25, 1024] # YOLOv8n summary: 225 layers, 3157200 parameters, 3157184 gradients, 8.9 GFLOPs
s: [0.33, 0.50, 1024] # YOLOv8s summary: 225 layers, 11166560 parameters, 11166544 gradients, 28.8 GFLOPs
m: [0.67, 0.75, 768] # YOLOv8m summary: 295 layers, 25902640 parameters, 25902624 gradients, 79.3 GFLOPs
l: [1.00, 1.00, 512] # YOLOv8l summary: 365 layers, 43691520 parameters, 43691504 gradients, 165.7 GFLOPs
x: [1.00, 1.25, 512] # YOLOv8x summary: 365 layers, 68229648 parameters, 68229632 gradients, 258.5 GFLOP
# YOLOv8.0n backbone
backbone:
# [from, repeats, module, args]
- [-1, 1, Conv, [64, 3, 2]] # 0-P1/2
- [-1, 1, Conv, [128, 3, 2]] # 1-P2/4
- [-1, 3, C2f, [128, True]]
- [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]] # 3-P3/8
- [-1, 6, C2f, [256, True]]
- [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]] # 5-P4/16
- [-1, 6, C2f, [512, True]]
- [-1, 1, Conv, [1024, 3, 2]] # 7-P5/32
- [-1, 3, C2f, [1024, True]]
- [-1, 1, SPPF, [1024, 5]] # 9
# YOLOv8.0n head
head:
- [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']]
- [[-1, 6], 1, Concat, [1]] # cat backbone P4
- [-1, 3, C2f, [512]] # 12
- [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']]
- [[-1, 4], 1, Concat, [1]] # cat backbone P3
- [-1, 3, C2f, [256]] # 15 (P3/8-small)
- [-1, 1, EMA, []] # 16
- [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]]
- [[-1, 12], 1, Concat, [1]] # cat head P4
- [-1, 3, C2f, [512]] # 19 (P4/16-medium)
- [-1, 1, EMA, []] # 20
- [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]]
- [[-1, 9], 1, Concat, [1]] # cat head P5
- [-1, 3, C2f, [1024]] # 23 (P5/32-large)
- [-1, 1, EMA, []] # 24
- [[16, 20, 24], 1, Detect, [nc]] # Detect(P3, P4, P5)
5.2?EMAttention的yaml版本二
添加的版本二具体那种适合你需要大家自己多做实验来尝试。
# Ultralytics YOLO 🚀, AGPL-3.0 license
# YOLOv8 object detection model with P3-P5 outputs. For Usage examples see https://docs.ultralytics.com/tasks/detect
# Parameters
nc: 80 # number of classes
scales: # model compound scaling constants, i.e. 'model=yolov8n.yaml' will call yolov8.yaml with scale 'n'
# [depth, width, max_channels]
n: [0.33, 0.25, 1024] # YOLOv8n summary: 225 layers, 3157200 parameters, 3157184 gradients, 8.9 GFLOPs
s: [0.33, 0.50, 1024] # YOLOv8s summary: 225 layers, 11166560 parameters, 11166544 gradients, 28.8 GFLOPs
m: [0.67, 0.75, 768] # YOLOv8m summary: 295 layers, 25902640 parameters, 25902624 gradients, 79.3 GFLOPs
l: [1.00, 1.00, 512] # YOLOv8l summary: 365 layers, 43691520 parameters, 43691504 gradients, 165.7 GFLOPs
x: [1.00, 1.25, 512] # YOLOv8x summary: 365 layers, 68229648 parameters, 68229632 gradients, 258.5 GFLOP
# YOLOv8.0n backbone
backbone:
# [from, repeats, module, args]
- [-1, 1, Conv, [64, 3, 2]] # 0-P1/2
- [-1, 1, Conv, [128, 3, 2]] # 1-P2/4
- [-1, 3, C2f, [128, True]]
- [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]] # 3-P3/8
- [-1, 6, C2f, [256, True]]
- [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]] # 5-P4/16
- [-1, 6, C2f, [512, True]]
- [-1, 1, Conv, [1024, 3, 2]] # 7-P5/32
- [-1, 3, C2f, [1024, True]]
- [-1, 1, SPPF, [1024, 5]] # 9
# YOLOv8.0n head
head:
- [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']]
- [[-1, 6], 1, Concat, [1]] # cat backbone P4
- [-1, 3, C2f, [512]] # 12
- [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']]
- [[-1, 4], 1, Concat, [1]] # cat backbone P3
- [-1, 3, C2f, [256]] # 15 (P3/8-small)
- [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]]
- [[-1, 12], 1, Concat, [1]] # cat head P4
- [-1, 3, C2f, [512]] # 18 (P4/16-medium)
- [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]]
- [[-1, 9], 1, Concat, [1]] # cat head P5
- [-1, 3, C2f, [1024]] # 21 (P5/32-large)
- [-1, 1, EMA, []] # 22
- [[15, 18, 22], 1, Detect, [nc]] # Detect(P3, P4, P5)
5.3 推荐EMAttention可添加的位置?
EMAttention是一种即插即用的可替换卷积的模块，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EMAttention。
Neck部分：YOLOv8的Neck部分负责特征融合，这里添加EMAttention可以帮助模型更有效地融合不同层次的特征(yaml文件一和二)。
Backbone：可以替换中干网络中的卷积部分
能添加的位置很多，一篇文章很难全部介绍到，后期我会发文件里面集成上百种的改进机制，然后还有许多融合模块，给大家。
5.4 EMAttention的训练过程截图?
下面是添加了EMAttention的训练截图。
大家可以看下面的运行结果和添加的位置所以不存在我发的代码不全或者运行不了的问题大家有问题也可以在评论区评论我看到都会为大家解答(我知道的)。
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YOLOv8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~
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