YOLOv5改进系列（26）——添加RFAConv注意力卷积（感受野注意力卷积运算）

【YOLOv5改进系列】前期回顾：

🚀 一、RFAConv介绍

论文题目：《RFAConv: Innovating Spatial Attention and Standard Convolutional Operation》

论文地址：https://arxiv.org/pdf/2304.03198.pdf

代码实现：GitHub - Liuchen1997/RFAConv: RAFConv: Innovating Spatital Attention and Standard Convolutional Operation

1.1 RFAConv简介

空间注意力机制的局限性

空间注意力机制就是寻找网络中最重要的部位进行处理。旨在提升关键区域的特征表达，本质上是将原始图片中的空间信息通过空间转换模块，变换到另一个空间中并保留关键信息，为每个位置生成权重掩膜（mask）并加权输出，从而增强感兴趣的特定目标区域同时弱化不相关的背景区域。

空间注意力机制从本质上解决了卷积核参数共享问题。然而，空间注意力生成的注意图所包含的信息对于大尺寸卷积核是不够的。

RFAConv的贡献

针对以上不足，作者提出了一种新的注意机制——感受野注意力(Receptive-Field Attention, RFA)。现有的空间注意力，如卷积块注意力模块（CBAM）和协调注意力（CA），都存在着只关注空间特征，并没有完全解决卷积核参数共享的问题。

相反，RFA不仅关注感受野空间特征，而且为大尺寸卷积核提供了有效的注意力权重。

由RFA开发的感受野注意卷积运算（RFAConv）代表了一种取代标准卷积运算的新方法。它可以显著提高网络性能，但是几乎可以忽略不计的计算成本和参数增量。RFAConv的核心思想是将空间注意力机制与卷积操作相结合，与感受野特征信息交互以学习注意力图，从而提高卷积神经网络（CNN）的性能。

1.2 RFAConv网络结构

（1）RFAConv

具有3×3大小卷积核的RFAConv的总体结构如下图所示：

我们先看上半部分：

首先，通过使用AvgPool池化每个感受野特征的全局信息。
然后，通过1×1的组卷积运算与信息交互。
最后，softmax用于强调感受野特征中每个特征的重要性。

目的：为了减少额外的的计算开销和参数数量。

计算公式：

g表示分组卷积，k表示卷积核的大小，Norm代表规范化，X表示输入特征图，F是通过将注意力图 $A_{rf}$ 与变换的感受野空间特征 $F_{rf}$ 相乘而获得的。

下半部分：

通过快速分组卷积提取感受野特征，替换了原来比较慢的提取感受野特征的方法。

（2）RFCAConv

与RFA类似，使用stride为k的k×k的最终卷积运算来提取特征信息。

（3）RFCBAMConv

为了比原始的CBAM减少计算开销，可以使用SE注意力来代替RFCBAM中的CAM。

🚀二、RFAConv核心代码讲解

源码太长读不下去，找了核心代码读一读吧~

from einops import rearrange


class Bottleneck1(nn.Module):
    """Standard bottleneck."""
    # __init__ 方法：初始化函数
    def __init__(self, c1, c2, shortcut=True, g=1, k=(3, 3), e=0.5):
        """Initializes a bottleneck module with given input/output channels, shortcut option, group, kernels, and
        expansion.
        """
        super().__init__()
        # 计算隐藏通道数
        c_ = int(c2 * e)  # hidden channels
        # 两个卷积层，分别是输入通道数到隐藏通道数和隐藏通道数到输出通道数的卷积。
        self.cv1 = Conv(c1, c_, k[0], 1)
        self.cv2 = Conv(c_, c2, k[1], 1, g=g)
        # 判断是否使用快捷连接，条件是启用快捷连接并且输入通道数等于输出通道数。
        self.add = shortcut and c1 == c2

    def forward(self, x):
        """'forward()' applies the YOLO FPN to input data."""
        return x + self.cv2(self.cv1(x)) if self.add else self.cv2(self.cv1(x))


class RFAConv(nn.Module):
    def __init__(self, in_channel, out_channel, kernel_size, stride=1):
        super().__init__()
        # 存储卷积核的尺寸
        self.kernel_size = kernel_size
        # 生成权重
        self.get_weight = nn.Sequential(nn.AvgPool2d(kernel_size=kernel_size, padding=kernel_size // 2, stride=stride),
                                        nn.Conv2d(in_channel, in_channel * (kernel_size ** 2), kernel_size=1,
                                                   groups=in_channel, bias=False))
        # 生成特征
        self.generate_feature = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(in_channel, in_channel * (kernel_size ** 2), kernel_size=kernel_size, padding=kernel_size // 2,
                      stride=stride, groups=in_channel, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(in_channel * (kernel_size ** 2)),
            nn.ReLU())
        self.conv = Conv(in_channel, out_channel, k=kernel_size, s=kernel_size, p=0)

    def forward(self, x):
        b, c = x.shape[0:2]
        weight = self.get_weight(x)
        h, w = weight.shape[2:]
        weighted = weight.view(b, c, self.kernel_size ** 2, h, w).softmax(2)  # b c*kernel**2,h,w ->  b c k**2 h w
        feature = self.generate_feature(x).view(b, c, self.kernel_size ** 2, h,
                                                w)  # b c*kernel**2,h,w ->  b c k**2 h w
        weighted_data = feature * weighted
        conv_data = rearrange(weighted_data, 'b c (n1 n2) h w -> b c (h n1) (w n2)', n1=self.kernel_size,
                              # b c k**2 h w ->  b c h*k w*k
                              n2=self.kernel_size)
        return self.conv(conv_data)

# Bottleneck1的子类
class Bottleneck_RFAConv(Bottleneck1):
    """Standard bottleneck with RFAConv."""

    def __init__(self, c1, c2, shortcut=True, g=1, k=(3, 3), e=0.5):  # ch_in, ch_out, shortcut, groups, kernels, expand
        super().__init__(c1, c2, shortcut, g, k, e)
        c_ = int(c2 * e)  # hidden channels
        self.cv1 = Conv(c1, c_, k[0], 1)
        self.cv2 = RFAConv(c_, c2, k[1])

# C3的子类
class C3_RFAConv(C3):
    def __init__(self, c1, c2, n=1, shortcut=False, g=1, e=0.5):
        super().__init__(c1, c2, n, shortcut, g, e)
        c_ = int(c2 * e)  # hidden channels
        self.m = nn.Sequential(*(Bottleneck_RFAConv(c_, c_, shortcut, g, k=(1, 3), e=1.0) for _ in range(n)))

① class Bottleneck1

这是一个标准的残差块，在以前代码讲解中我们讲过很多次。

首先，通过__init__ 方法初始化函数，然后计算隐藏通道数 c_，即第一个卷积层的输出通道数。

再定义两个卷积层 cv1 和 cv2，分别将输入通道数映射到隐藏通道数，接着从隐藏通道数映射到输出通道数。

最后通过self.add判断是否使用shortcut。

② class RFAConv

这个类就是实现了具有区域注意力机制的卷积操作，通过生成权重并将其应用到输入特征上，以获得加权的特征表示。最终，通过卷积操作将这些加权的特征映射到输出通道数。

其中，self.get_weight包含两个子模块的顺序模块，用于生成权重。

第一个子模块是一个平均池化层，用于降低空间分辨率。
第二个子模块是一个 1x1 的卷积层，用于生成权重，并通过设置 groups=in_channel 实现通道间的独立

③ Bottleneck_RFAConv

这个类是①的子类，参数也和①一样，就不细讲了~

目的是在残差块结构中引入区域注意力机制，从而提高模型对输入数据的关注度。

④class C3_RFAConv

它是 C3 类的子类，通过引入 Bottleneck_RFAConv 模块实现了区域注意力机制。

目的是在 C3 模块结构中引入区域注意力机制，通过使用 Bottleneck_RFAConv 模块替代标准的瓶颈模块。这样可以在模块内引入区域注意力，从而在整个 C3 模块内提高模型对输入数据的关注度。

🚀三、具体添加方法

3.1 添加顺序

（1）models/common.py --> 加入新增的网络结构

（2） models/yolo.py --> 设定网络结构的传参细节，将RFAConv系列类名加入其中。（当新的自定义模块中存在输入输出维度时，要使用qw调整输出维度）
（3） models/yolov5*.yaml --> 新建一个文件夹，如yolov5s_RFAConv.yaml，修改现有模型结构配置文件。（当引入新的层时，要修改后续的结构中的from参数）
（4） train.py --> 修改‘--cfg’默认参数，训练时指定模型结构配置文件

3.2 具体添加步骤

第①步：在common.py中添加RFAConv模块

将下面的RFAConv代码复制粘贴到common.py文件的末尾

from einops import rearrange
 
class Bottleneck1(nn.Module):
    """Standard bottleneck."""
 
    def __init__(self, c1, c2, shortcut=True, g=1, k=(3, 3), e=0.5):
        """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 = Conv(c1, c_, k[0], 1)
        self.cv2 = Conv(c_, c2, k[1], 1, g=g)
        self.add = shortcut and c1 == c2
 
    def forward(self, x):
        """'forward()' applies the YOLO FPN to input data."""
        return x + self.cv2(self.cv1(x)) if self.add else self.cv2(self.cv1(x))
 
class RFAConv(nn.Module):
    def __init__(self, in_channel, out_channel, kernel_size, stride=1):
        super().__init__()
        self.kernel_size = kernel_size
 
        self.get_weight = nn.Sequential(nn.AvgPool2d(kernel_size=kernel_size, padding=kernel_size // 2, stride=stride),
                                        nn.Conv2d(in_channel, in_channel * (kernel_size ** 2), kernel_size=1,
                                                  groups=in_channel, bias=False))
        self.generate_feature = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(in_channel, in_channel * (kernel_size ** 2), kernel_size=kernel_size, padding=kernel_size // 2,
                      stride=stride, groups=in_channel, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(in_channel * (kernel_size ** 2)),
            nn.ReLU())
        self.conv = Conv(in_channel, out_channel, k=kernel_size, s=kernel_size, p=0)
 
    def forward(self, x):
        b, c = x.shape[0:2]
        weight = self.get_weight(x)
        h, w = weight.shape[2:]
        weighted = weight.view(b, c, self.kernel_size ** 2, h, w).softmax(2)  # b c*kernel**2,h,w ->  b c k**2 h w
        feature = self.generate_feature(x).view(b, c, self.kernel_size ** 2, h,
                                                w)  # b c*kernel**2,h,w ->  b c k**2 h w
        weighted_data = feature * weighted
        conv_data = rearrange(weighted_data, 'b c (n1 n2) h w -> b c (h n1) (w n2)', n1=self.kernel_size,
                              # b c k**2 h w ->  b c h*k w*k
                              n2=self.kernel_size)
        return self.conv(conv_data)
 
class Bottleneck_RFAConv(Bottleneck1):
    """Standard bottleneck with RFAConv."""
 
    def __init__(self, c1, c2, shortcut=True, g=1, k=(3, 3), e=0.5):  # ch_in, ch_out, shortcut, groups, kernels, expand
        super().__init__(c1, c2, shortcut, g, k, e)
        c_ = int(c2 * e)  # hidden channels
        self.cv1 = Conv(c1, c_, k[0], 1)
        self.cv2 = RFAConv(c_, c2, k[1])
 
class C3_RFAConv(C3):
    def __init__(self, c1, c2, n=1, shortcut=False, g=1, e=0.5):
        super().__init__(c1, c2, n, shortcut, g, e)
        c_ = int(c2 * e)  # hidden channels
        self.m = nn.Sequential(*(Bottleneck_RFAConv(c_, c_, shortcut, g, k=(1, 3), e=1.0) for _ in range(n)))

第②步：在yolo.py文件里的parse_model函数加入类名

首先找到yolo.py里面parse_model函数的这一行

加入 RFAConv、C3_RFAConv 这两个模块

第③步：创建自定义的yaml文件

第1种，更改Conv模块

# 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, RFAConv, [128, 3, 2]],  # 1-P2/4
   [-1, 3, C3, [128]],
   [-1, 1, RFAConv, [256, 3, 2]],  # 3-P3/8
   [-1, 6, C3, [256]],
   [-1, 1, RFAConv, [512, 3, 2]],  # 5-P4/16
   [-1, 9, C3, [512]],
   [-1, 1, RFAConv, [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, 3, 2]],
   [[-1, 14], 1, Concat, [1]],  # cat head P4
   [-1, 3, C3, [512, False]],  # 20 (P4/16-medium)

   [-1, 1, RFAConv, [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)
  ]

第2种，更改C3模块

# 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_RFAConv, [128]],
   [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]],  # 3-P3/8
   [-1, 6, C3_RFAConv, [256]],
   [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]],  # 5-P4/16
   [-1, 9, C3_RFAConv, [512]],
   [-1, 1, Conv, [1024, 3, 2]],  # 7-P5/32
   [-1, 3, C3_RFAConv, [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_RFAConv, [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)
  ]