YOLOv10涨点改进：注意力魔改 | 轻量级自注意力机制CoordAttention | CVPR2021

原创

AI小怪兽

发布于 2024-06-12 09:40:10

5630

发布于 2024-06-12 09:40:10

文章被收录于专栏：毕业设计 YOLO大作战毕业设计

💡💡💡本文改进：替换YOLOv10中的PSA进行二次创新，1）CoordAttention注意力替换 PSA中的多头自注意力模块MHSA注意力；2） CoordAttention直接替换 PSA；

💡💡💡CoordAttention优势：不仅会考虑输入的特征信息，还会考虑每个像素点的位置信息，从而更好地捕捉空间上的局部关系和全局关系。

在NEU-DET案列进行可行性验证，1)mAP50从0.683提升至0.7 ;2)mAP50从0.683提升至0.704

改进1结构图：

改进2结构图：

1.YOLOv10介绍

添加描述

论文： https://arxiv.org/pdf/2405.14458

代码： GitHub - THU-MIG/yolov10: YOLOv10: Real-Time End-to-End Object Detection

摘要：在过去的几年里，由于其在计算成本和检测性能之间的有效平衡，YOLOS已经成为实时目标检测领域的主导范例。研究人员已经探索了YOLOS的架构设计、优化目标、数据增强策略等，并取得了显著进展。然而，对用于后处理的非最大抑制（NMS）的依赖妨碍了YOLOS的端到端部署，并且影响了推理延迟。此外，YOLOS中各部件的设计缺乏全面和彻底的检查，导致明显的计算冗余，限制了模型的性能。这导致次优的效率，以及相当大的性能改进潜力。在这项工作中，我们的目标是从后处理和模型架构两个方面进一步推进YOLOS的性能-效率边界。为此，我们首先提出了用于YOLOs无NMS训练的持续双重分配，该方法带来了有竞争力的性能和低推理延迟。此外，我们还介绍了YOLOS的整体效率-精度驱动模型设计策略。我们从效率和精度两个角度对YOLOS的各个组件进行了全面优化，大大降低了计算开销，增强了性能。我们努力的成果是用于实时端到端对象检测的新一代YOLO系列，称为YOLOV10。广泛的实验表明，YOLOV10在各种模型规模上实现了最先进的性能和效率。例如，在COCO上的类似AP下，我们的YOLOV10-S比RT-DETR-R18快1.8倍，同时具有2.8倍更少的参数和FLOPS。与YOLOV9-C相比，YOLOV10-B在性能相同的情况下，延迟减少了46%，参数减少了25%。

1.YOLOv10介绍

添加描述

论文： https://arxiv.org/pdf/2405.14458

代码： GitHub - THU-MIG/yolov10: YOLOv10: Real-Time End-to-End Object Detection

1.1 C2fUIB介绍

为了解决这个问题，我们提出了一种基于秩的块设计方案，旨在通过紧凑的架构设计降低被证明是冗余的阶段复杂度。我们首先提出了一个紧凑的倒置块（CIB）结构，它采用廉价的深度可分离卷积进行空间混合，以及成本效益高的点对点卷积进行通道混合

C2fUIB只是用CIB结构替换了YOLOv8中 C2f的Bottleneck结构

实现代码ultralytics/nn/modules/block.py

class CIB(nn.Module):
    """Standard bottleneck."""

    def __init__(self, c1, c2, shortcut=True, e=0.5, lk=False):
        """Initializes a bottleneck module with given input/output channels, shortcut option, group, kernels, and
        expansion.
        """
        super().__init__()
        c_ = int(c2 * e)  # hidden channels
        self.cv1 = nn.Sequential(
            Conv(c1, c1, 3, g=c1),
            Conv(c1, 2 * c_, 1),
            Conv(2 * c_, 2 * c_, 3, g=2 * c_) if not lk else RepVGGDW(2 * c_),
            Conv(2 * c_, c2, 1),
            Conv(c2, c2, 3, g=c2),
        )

        self.add = shortcut and c1 == c2

    def forward(self, x):
        """'forward()' applies the YOLO FPN to input data."""
        return x + self.cv1(x) if self.add else self.cv1(x)

class C2fCIB(C2f):
    """Faster Implementation of CSP Bottleneck with 2 convolutions."""

    def __init__(self, c1, c2, n=1, shortcut=False, lk=False, g=1, e=0.5):
        """Initialize CSP bottleneck layer with two convolutions with arguments ch_in, ch_out, number, shortcut, groups,
        expansion.
        """
        super().__init__(c1, c2, n, shortcut, g, e)
        self.m = nn.ModuleList(CIB(self.c, self.c, shortcut, e=1.0, lk=lk) for _ in range(n))

复制

1.2 PSA介绍

具体来说，我们在1×1卷积后将特征均匀地分为两部分。我们只将一部分输入到由多头自注意力模块（MHSA）和前馈网络（FFN）组成的NPSA块中。然后，两部分通过1×1卷积连接并融合。此外，遵循将查询和键的维度分配为值的一半，并用BatchNorm替换LayerNorm以实现快速推理。

实现代码ultralytics/nn/modules/block.py

class Attention(nn.Module):
    def __init__(self, dim, num_heads=8,
                 attn_ratio=0.5):
        super().__init__()
        self.num_heads = num_heads
        self.head_dim = dim // num_heads
        self.key_dim = int(self.head_dim * attn_ratio)
        self.scale = self.key_dim ** -0.5
        nh_kd = nh_kd = self.key_dim * num_heads
        h = dim + nh_kd * 2
        self.qkv = Conv(dim, h, 1, act=False)
        self.proj = Conv(dim, dim, 1, act=False)
        self.pe = Conv(dim, dim, 3, 1, g=dim, act=False)

    def forward(self, x):
        B, _, H, W = x.shape
        N = H * W
        qkv = self.qkv(x)
        q, k, v = qkv.view(B, self.num_heads, -1, N).split([self.key_dim, self.key_dim, self.head_dim], dim=2)

        attn = (
            (q.transpose(-2, -1) @ k) * self.scale
        )
        attn = attn.softmax(dim=-1)
        x = (v @ attn.transpose(-2, -1)).view(B, -1, H, W) + self.pe(v.reshape(B, -1, H, W))
        x = self.proj(x)
        return x

class PSA(nn.Module):

    def __init__(self, c1, c2, e=0.5):
        super().__init__()
        assert(c1 == c2)
        self.c = int(c1 * e)
        self.cv1 = Conv(c1, 2 * self.c, 1, 1)
        self.cv2 = Conv(2 * self.c, c1, 1)
        
        self.attn = Attention(self.c, attn_ratio=0.5, num_heads=self.c // 64)
        self.ffn = nn.Sequential(
            Conv(self.c, self.c*2, 1),
            Conv(self.c*2, self.c, 1, act=False)
        )
        
    def forward(self, x):
        a, b = self.cv1(x).split((self.c, self.c), dim=1)
        b = b + self.attn(b)
        b = b + self.ffn(b)
        return self.cv2(torch.cat((a, b), 1))

复制

1.3 SCDown

OLOs通常利用常规的3×3标准卷积，步长为2，同时实现空间下采样（从H×W到H/2×W/2）和通道变换（从C到2C）。这引入了不可忽视的计算成本O(9HWC^2)和参数数量O(18C^2)。相反，我们提议将空间缩减和通道增加操作解耦，以实现更高效的下采样。具体来说，我们首先利用点对点卷积来调整通道维度，然后利用深度可分离卷积进行空间下采样。这将计算成本降低到O(2HWC^2 + 9HWC)，并将参数数量减少到O(2C^2 + 18C)。同时，它最大限度地保留了下采样过程中的信息，从而在减少延迟的同时保持了有竞争力的性能。

实现代码ultralytics/nn/modules/block.py

class SCDown(nn.Module):
    def __init__(self, c1, c2, k, s):
        super().__init__()
        self.cv1 = Conv(c1, c2, 1, 1)
        self.cv2 = Conv(c2, c2, k=k, s=s, g=c2, act=False)

    def forward(self, x):
        return self.cv2(self.cv1(x))

2. CoordAttention原理介绍

论文：https://arxiv.org/pdf/2103.02907.pdf

CoordAttention是一种注意力机制，在计算机视觉中被广泛应用。它可以捕捉特定位置的空间关系，并在注意力计算中加以利用。与常规的注意力机制不同，CoordAttention在计算注意力时，不仅会考虑输入的特征信息，还会考虑每个像素点的位置信息，从而更好地捕捉空间上的局部关系和全局关系。这种注意力机制可以应用于许多计算机视觉任务，如图像分类、目标检测和语义分割等。

新加坡国立大学的Qibin Hou等人提出了一种为轻量级网络设计的新的注意力机制，该机制将位置信息嵌入到了通道注意力中，称为coordinate attention（简称CoordAttention，下文也称CA），该论文已被CVPR2021收录。

CoordAttention简单灵活且高效，可以插入经典的轻量级网络（如MobileNetV2）在几乎不带来额外计算开销的前提下，提升网络的精度。实验表明，CoordAttention不仅仅对于分类任务有不错的提高，对目标检测、实例分割这类密集预测的任务，效果提升更加明显。

SE、CBAM和CA模块注意力结果可视化，CA更能精确关注感兴趣目标。

效果秒杀CBAM、SE

3.CoordAttention如何加入到YOLOv10

3.1新建ultralytics/nn/attention/attention.py

######################  CoordAtt  ####     start   by  AI&CV  ###############################
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

from ultralytics.nn.modules.conv import Conv
class h_sigmoid(nn.Module):
    def __init__(self, inplace=True):
        super(h_sigmoid, self).__init__()
        self.relu = nn.ReLU6(inplace=inplace)

    def forward(self, x):
        return self.relu(x + 3) / 6


class h_swish(nn.Module):
    def __init__(self, inplace=True):
        super(h_swish, self).__init__()
        self.sigmoid = h_sigmoid(inplace=inplace)

    def forward(self, x):
        return x * self.sigmoid(x)


class CoordAtt(nn.Module):
    def __init__(self, inp, reduction=32):
        super(CoordAtt, self).__init__()
        self.pool_h = nn.AdaptiveAvgPool2d((None, 1))
        self.pool_w = nn.AdaptiveAvgPool2d((1, None))

        mip = max(8, inp // reduction)

        self.conv1 = nn.Conv2d(inp, mip, kernel_size=1, stride=1, padding=0)
        self.bn1 = nn.BatchNorm2d(mip)
        self.act = h_swish()

        self.conv_h = nn.Conv2d(mip, inp, kernel_size=1, stride=1, padding=0)
        self.conv_w = nn.Conv2d(mip, inp, kernel_size=1, stride=1, padding=0)

    def forward(self, x):
        identity = x

        n, c, h, w = x.size()
        x_h = self.pool_h(x)
        x_w = self.pool_w(x).permute(0, 1, 3, 2)

        y = torch.cat([x_h, x_w], dim=2)
        y = self.conv1(y)
        y = self.bn1(y)
        y = self.act(y)

        x_h, x_w = torch.split(y, [h, w], dim=2)
        x_w = x_w.permute(0, 1, 3, 2)

        a_h = self.conv_h(x_h).sigmoid()
        a_w = self.conv_w(x_w).sigmoid()

        out = identity * a_w * a_h

        return out

class PSCoordAtt(nn.Module):

    def __init__(self, c1, c2, e=0.5):
        super().__init__()
        assert (c1 == c2)
        self.c = int(c1 * e)
        self.cv1 = Conv(c1, 2 * self.c, 1, 1)
        self.cv2 = Conv(2 * self.c, c1, 1)

        self.attn = CoordAtt(self.c)
        self.ffn = nn.Sequential(
            Conv(self.c, self.c * 2, 1),
            Conv(self.c * 2, self.c, 1, act=False)
        )

    def forward(self, x):
        a, b = self.cv1(x).split((self.c, self.c), dim=1)
        b = b + self.attn(b)
        b = b + self.ffn(b)
        return self.cv2(torch.cat((a, b), 1))
######################  CoordAtt  ####     end   by  AI&CV  ###############################

3.2 修改tasks.py

1)首先进行引用定义

from ultralytics.nn.attention.attention import *

2）修改def parse_model(d, ch, verbose=True): # model_dict, input_channels(3)

只需要在你源码基础上加入PSCoordAtt,CoordAtt（切勿直接复制过去）

n = n_ = max(round(n * depth), 1) if n > 1 else n  # depth gain
        if m in {
            Classify,
            Conv,
            ConvTranspose,
            GhostConv,
            Bottleneck,
            GhostBottleneck,
            SPP,
            SPPF,
            DWConv,
            Focus,
            BottleneckCSP,
            C1,
            C2,
            C2f,
            RepNCSPELAN4,
            ADown,
            SPPELAN,
            C2fAttn,
            C3,
            C3TR,
            C3Ghost,
            nn.ConvTranspose2d,
            DWConvTranspose2d,
            C3x,
            RepC3,
            PSA,PSCoordAtt,CoordAtt,
            SCDown,
            C2fCIB
        }:
            c1, c2 = ch[f], args[0]
            if c2 != nc:  # if c2 not equal to number of classes (i.e. for Classify() output)
                c2 = make_divisible(min(c2, max_channels) * width, 8)
            if m is C2fAttn:
                args[1] = make_divisible(min(args[1], max_channels // 2) * width, 8)  # embed channels
                args[2] = int(
                    max(round(min(args[2], max_channels // 2 // 32)) * width, 1) if args[2] > 1 else args[2]
                )  # num heads

            args = [c1, c2, *args[1:]]
            if m in (BottleneckCSP, C1, C2, C2f, C2fAttn, C3, C3TR, C3Ghost, C3x, RepC3, C2fCIB):
                args.insert(2, n)  # number of repeats
                n = 1

3.3 yolov10n-CoordAtt.yaml

# 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] 

# 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, SCDown, [512, 3, 2]] # 5-P4/16
  - [-1, 6, C2f, [512, True]]
  - [-1, 1, SCDown, [1024, 3, 2]] # 7-P5/32
  - [-1, 3, C2f, [1024, True]]
  - [-1, 1, SPPF, [1024, 5]] # 9
  - [-1, 1, CoordAtt, [1024]] # 10

# YOLOv8.0n head
head:
  - [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, "nearest"]]
  - [[-1, 6], 1, Concat, [1]] # cat backbone P4
  - [-1, 3, C2f, [512]] # 13

  - [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, "nearest"]]
  - [[-1, 4], 1, Concat, [1]] # cat backbone P3
  - [-1, 3, C2f, [256]] # 16 (P3/8-small)

  - [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]]
  - [[-1, 13], 1, Concat, [1]] # cat head P4
  - [-1, 3, C2f, [512]] # 19 (P4/16-medium)

  - [-1, 1, SCDown, [512, 3, 2]]
  - [[-1, 10], 1, Concat, [1]] # cat head P5
  - [-1, 3, C2fCIB, [1024, True, True]] # 22 (P5/32-large)

  - [[16, 19, 22], 1, v10Detect, [nc]] # Detect(P3, P4, P5)

3.4 yolov10n-PSCoordAtt.yaml

# 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] 

# 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, SCDown, [512, 3, 2]] # 5-P4/16
  - [-1, 6, C2f, [512, True]]
  - [-1, 1, SCDown, [1024, 3, 2]] # 7-P5/32
  - [-1, 3, C2f, [1024, True]]
  - [-1, 1, SPPF, [1024, 5]] # 9
  - [-1, 1, PSCoordAtt, [1024]] # 10

# YOLOv8.0n head
head:
  - [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, "nearest"]]
  - [[-1, 6], 1, Concat, [1]] # cat backbone P4
  - [-1, 3, C2f, [512]] # 13

  - [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, "nearest"]]
  - [[-1, 4], 1, Concat, [1]] # cat backbone P3
  - [-1, 3, C2f, [256]] # 16 (P3/8-small)

  - [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]]
  - [[-1, 13], 1, Concat, [1]] # cat head P4
  - [-1, 3, C2f, [512]] # 19 (P4/16-medium)

  - [-1, 1, SCDown, [512, 3, 2]]
  - [[-1, 10], 1, Concat, [1]] # cat head P5
  - [-1, 3, C2fCIB, [1024, True, True]] # 22 (P5/32-large)

  - [[16, 19, 22], 1, v10Detect, [nc]] # Detect(P3, P4, P5)

4.实验结果分析

原始YOLOv10n结果如下：

原始mAP50为0.683

YOLOv10n summary (fused): 285 layers, 2696756 parameters, 0 gradients, 8.2 GFLOPs
                 Class     Images  Instances      Box(P          R      mAP50  mAP50-95): 100%|██████████| 16/16 [00:12<00:00,  1.27it/s]
                   all        486       1069      0.634      0.662      0.683      0.392
               crazing        486        149      0.409      0.248      0.298     0.0996
             inclusion        486        222      0.677      0.774      0.768      0.411
               patches        486        243      0.789      0.868      0.905      0.582
        pitted_surface        486        130      0.752      0.722      0.757      0.492
       rolled-in_scale        486        171      0.549      0.561      0.561      0.263
             scratches        486        154       0.63      0.797      0.807      0.505

4.1 CoordAtt注意力替换 MHSA注意力

实验结果如下：

mAP50从0.683提升至0.7

YOLOv10n-AKConv summary (fused): 297 layers, 2663046 parameters, 0 gradients, 7.9 GFLOPs
                 Class     Images  Instances      Box(P          R      mAP50  mAP50-95): 100%|██████████| 16/16 [00:11<00:00,  1.42it/s]
                   all        486       1069      0.709      0.621        0.7      0.393
               crazing        486        149      0.579      0.176       0.33      0.129
             inclusion        486        222      0.768      0.702      0.757       0.41
               patches        486        243      0.826      0.841      0.916       0.59
        pitted_surface        486        130      0.745      0.698       0.76      0.484
       rolled-in_scale        486        171      0.611      0.561      0.629       0.29
             scratches        486        154      0.725      0.747      0.811      0.455

4.2 CoordAtt注意力直接替换 PSA

实验结果如下：

mAP50从0.683提升至0.704

YOLOv10n-PSCoordAtt summary (fused): 285 layers, 2649292 parameters, 0 gradients, 8.2 GFLOPs
                 Class     Images  Instances      Box(P          R      mAP50  mAP50-95): 100%|██████████| 16/16 [00:10<00:00,  1.57it/s]
                   all        486       1069      0.675      0.666      0.704      0.397
               crazing        486        149      0.505      0.255      0.364      0.125
             inclusion        486        222      0.676      0.703      0.766      0.407
               patches        486        243      0.786      0.875      0.895      0.575
        pitted_surface        486        130      0.783      0.723      0.765      0.489
       rolled-in_scale        486        171      0.599      0.612      0.607      0.283
             scratches        486        154      0.701      0.831      0.825        0.5

原文链接：

https://blog.csdn.net/m0_63774211/article/details/139322493

我正在参与2024腾讯技术创作特训营最新征文，快来和我瓜分大奖！

原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。

如有侵权，请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

腾讯技术创作特训营S7

原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。

如有侵权，请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

腾讯技术创作特训营S7

登录后参与评论

0 条评论

热度