【目标检测实验系列】YOLOv5模型改进：融合混合注意力机制CBAM，关注通道和空间特征，助力模型高效涨点！（内含源代码，超详细改进代码流程）

       自我介绍：本人硕士期间全程放养，目前成果:一篇北大核心CSCD录用,两篇中科院三区已见刊，一篇中科院四区在投。如何找创新点，如何放养过程厚积薄发，如何写中英论文，找期刊等等。本人后续会以自己实战经验详细写出来，还请大家能够点个关注和赞，收藏一下，谢谢大家。

1. 文章主要内容

       本篇博客主要涉及混合(通道角度与空间角度)注意力机制CBAM融合到YOLOv5模型中。（通读本篇博客需要7分钟左右的时间）。

2. 详细代码改进流程

2.1 CBAM源代码(大家自己创建CBAM.py文件)

       注意，博主在CBAM源码当中添加了C3与CBAM结合的代码，还有main函数的测试案例，不影响CBAM的单独使用。

import numpy as np
import torch
from torch import nn
from torch.nn import init

from models.common import Bottleneck, Conv


class ChannelAttention(nn.Module):
    def __init__(self, channel, reduction=16):
        super().__init__()
        self.maxpool = nn.AdaptiveMaxPool2d(1)
        self.avgpool = nn.AdaptiveAvgPool2d(1)
        self.se = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(channel, channel // reduction, 1, bias=False),
            nn.ReLU(),
            nn.Conv2d(channel // reduction, channel, 1, bias=False)
        )
        self.sigmoid = nn.Sigmoid()

    def forward(self, x):
        max_result = self.maxpool(x)
        avg_result = self.avgpool(x)
        max_out = self.se(max_result)
        avg_out = self.se(avg_result)
        output = self.sigmoid(max_out + avg_out)
        return output


class SpatialAttention(nn.Module):
    def __init__(self, kernel_size=7):
        super().__init__()
        self.conv = nn.Conv2d(2, 1, kernel_size=kernel_size, padding=kernel_size // 2)
        self.sigmoid = nn.Sigmoid()

    def forward(self, x):
        max_result, _ = torch.max(x, dim=1, keepdim=True)
        avg_result = torch.mean(x, dim=1, keepdim=True)
        result = torch.cat([max_result, avg_result], 1)
        output = self.conv(result)
        output = self.sigmoid(output)
        return output


class CBAMBlock(nn.Module):

    def __init__(self, channel=512, reduction=16, kernel_size=7):
        super().__init__()
        self.ca = ChannelAttention(channel=channel, reduction=reduction)
        self.sa = SpatialAttention(kernel_size=kernel_size)

    def init_weights(self):
        for m in self.modules():
            if isinstance(m, nn.Conv2d):
                init.kaiming_normal_(m.weight, mode='fan_out')
                if m.bias is not None:
                    init.constant_(m.bias, 0)
            elif isinstance(m, nn.BatchNorm2d):
                init.constant_(m.weight, 1)
                init.constant_(m.bias, 0)
            elif isinstance(m, nn.Linear):
                init.normal_(m.weight, std=0.001)
                if m.bias is not None:
                    init.constant_(m.bias, 0)

    def forward(self, x):
        b, c, _, _ = x.size()
        out = x * self.ca(x)
        out = out * self.sa(out)
        return out

class C3CBAM(nn.Module):
    def __init__(self, c1, c2, n=1, shortcut=True, g=1,
                 e=0.5):  # ch_in, ch_out, number, shortcut, groups, expansion #iscyy

        super(C3CBAM, self).__init__()
        c_ = int(c2 * e)  # hidden channels
        self.cbam = CBAMBlock(c1)
        self.cv1 = Conv(c1, c_, 1, 1)
        self.cv2 = Conv(c1, c_, 1, 1)
        self.cv3 = Conv(2 * c_, c2, 1)  # act=FReLU(c2)
        # self.m = nn.Sequential(*[CB2d(c_) for _ in range(n)])
        self.m = nn.Sequential(*[Bottleneck(c_, c_, shortcut, g, e=1.0) for _ in range(n)])

    def forward(self, x):
        out = torch.cat((self.m(self.cv1(self.cbam(x))), self.cv2(self.cbam(x))), dim=1)
        out = self.cv3(out)
        return out

if __name__ == '__main__':
    input = torch.randn(50, 512, 7, 7)
    cbam = C3CBAM(512, 512)
    output = cbam(input)
    print(output.shape)

       需要注意到： 源代码CBAMBlock类只需要传入一个输入的通道数channel，与YOLOv5的C3结构融合后，则C3CBAM需要传入输入和输出通道数，但大家仔细发现在C3CBAM的这行代码self.cbam =CBAMBlock(c1)，实际的CBAM也只是需要传入输入的通道数即可。大家可以通过main函数进行测试。另外，在C3CBAM中，其中cv1和cv2方法里面的参数x都先通过了cbam注意力机制，这里大家可以自定义的设置。

2.2 建立一个yolov5-cbam.yaml文件

       注意到，这里博主直接使用C3CBAM代替Backbone部分的四个C3结构,另外注意nc改为自己数据集的类别数。当然，CBAM结构可以自由的放到网络当中的任何结构，但需要特别注意放了之后层次的更替问题，如有不懂，可以查看我之前写的一篇博客(以及评论区注意点)：【目标检测实验系列】通过全局上下文注意力机制Global Context Block(GC)融合到YOLOv5案例，吃透简单即插即用注意力机制代码修改要点，举一反三！（超详细改进代码流程）

# YOLOv5 🚀 by Ultralytics, GPL-3.0 license

# Parameters
nc: 4  # 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  小目标
  - [30,61, 62,45, 59,119]  # P4/16 中目标
  - [116,90, 156,198, 373,326]  # P5/32  大目标

# YOLOv5 v6.0 backbone
backbone:
  # [from, number, module, args]
  [[-1, 1, Conv, [64, 6, 2, 2]],  # 0-P1/2  output_channel, kernel_size, stride, padding
   [-1, 1, Conv, [128, 3, 2]],  # 1-P2/4
   [-1, 3, C3CBAM, [128]],
   [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]],  # 3-P3/8
   [-1, 6, C3CBAM, [256]],
   [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]],  # 5-P4/16
   [-1, 9, C3CBAM, [512]],
   [-1, 1, Conv, [1024, 3, 2]],  # 7-P5/32
   [-1, 3, C3CBAM, [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, 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)
  ]

3.3 将C3CBAM引入到yolo.py文件中

       在下图的位置处，引入相关的类即可。

3.4 修改train.py启动文件

       修改配置文件为yolov5-cbam.yaml即可，如下图所示：

4. 总结

       本篇博客主要介绍了CBAM融合到YOLOv5模型，通过关注通道和空间特征，助力模型高效涨点。另外，在修改过程中，要是有任何问题，评论区交流；如果博客对您有帮助，请帮忙点个赞，收藏一下；后续会持续更新本人实验当中觉得有用的点子，如果很感兴趣的话，可以关注一下，谢谢大家啦！