Yolov5--从模块解析到网络结构修改（添加注意力机制）

最近在进行yolov5的二次开发，软件开发完毕后才想着对框架进行一些整理和进一步学习，以下将记录一些我的学习记录。

1.模块解析(common.py)

 

01. Focus模块

作用：下采样
输入：data( 3×640×640 彩色图片)
Focus模块的作用是对图片进行切片，类似于下采样，先将图片变为320×320×12的特征图，再经过3×3的卷积操作，输出通道32，最终变为320×320×32的特征图，是一般卷积计算量的4倍，如此做下采样将无信息丢失。
输出：32×320×320特征图
结构图片描述：

图示切分过程,channels变为4倍

代码实现:

class Focus(nn.Module):
    # Focus wh information into c-space
    def __init__(self, c1, c2, k=1, s=1, p=None, g=1, act=True):  # ch_in, ch_out, kernel, stride, padding, groups
        # c1输入,c2输出,s为步长,k为卷积核大小
        super(Focus, self).__init__()
        self.conv = Conv(c1 * 4, c2, k, s, p, g, act)  # 输入channel数量变为4倍

    def forward(self, x):  # x(b,c,w,h) -> y(b,4c,w/2,h/2)
    	# 进行切分,再进行concat
        return self.conv(torch.cat([x[..., ::2, ::2], x[..., 1::2, ::2], x[..., ::2, 1::2], x[..., 1::2, 1::2]], 1))

 

02. CONV模块

1. 作者在这个基本卷积模块中封装了三个功能，包括卷积(Conv2d)、BN以及Activate函数(在新版yolov5中，作者采用了SiLU函数作为激活函数)，同时autopad(k, p)实现了自动计算padding的效果。
2. 总的来说Conv实现了将输入特征经过卷积层，激活函数，归一化层，得到输出层。

输出：输入大小的一半
结构图片描述：

代码实现：

class Conv(nn.Module):
    # Standard convolution
    # ch_in, ch_out, kernel, stride, padding, groups
    def __init__(self, c1, c2, k=1, s=1, p=None, g=1, act=True):
    	# k为卷积核大小，s为步长
    	# g即group,当g=1时，相当于普通卷积,当g>1时,进行分组卷积。
    	# 分组卷积相对与普通卷积减少了参数量，提高训练效率
        super(Conv, self).__init__()
        self.conv = nn.Conv2d(c1, c2, k, s, autopad(k, p), groups=g, bias=False)
        self.bn = nn.BatchNorm2d(c2)
        self.act = nn.Hardswish() 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 fuseforward(self, x):
        return self.act(self.conv(x))

 

03.Bottleneck模块：

1. 先将channel 数减小再扩大（默认减小到一半），具体做法是先进行1×1卷积将channel减小一半，再通过3×3卷积将通道数加倍，并获取特征（共使用两个标准卷积模块），其输入与输出的通道数是不发生改变的。
2. shortcut参数控制是否进行残差连接（使用ResNet）。
3. 在yolov5的backbone中的Bottleneck都默认使shortcut为True，在head中的Bottleneck都不使用shortcut。
4. 与ResNet对应的，使用add而非concat进行特征融合，使得融合后的特征数不变。

结构图片描述：

代码实现：

class Bottleneck(nn.Module):
    # Standard bottleneck

    def __init__(self, c1, c2, shortcut=True, g=1, e=0.5):  # ch_in, ch_out, shortcut, groups, expansion
        # 特别参数
        # shortcut：是否给bottleneck结构部添加shortcut连接，添加后即为ResNet模块；
        # e，即expansion。bottleneck结构中的瓶颈部分的通道膨胀率，默认使用0.5即变为输入的1/2
        super(Bottleneck, self).__init__()
        c_ = int(c2 * e)  # hidden channels
        self.cv1 = Conv(c1, c_, 1, 1)
        self.cv2 = Conv(c_, c2, 3, 1, g=g)
        self.add = shortcut and c1 == c2

    def forward(self, x):
        return x + self.cv2(self.cv1(x)) if self.add else self.cv2(self.cv1(x))

 

04.C3模块

1. 在新版yolov5中,作者将BottleneckCSP(瓶颈层)模块转变为了C3模块，其结构作用基本相同均为CSP架构，只是在修正单元的选择上有所不同，其包含了3个标准卷积层以及多个Bottleneck模块（数量由配置文件.yaml的n和depth_multiple参数乘积决定）
2. 从下图可以看出，C3相对于BottleneckCSP模块不同的是，经历过残差输出后的Conv模块被去掉了，concat后的标准卷积模块中的激活函数也由LeakyRelu变为了SiLU（同上）。
3. 该模块是对残差特征进行学习的主要模块,其结构分为两支,一支使用了上述指定多个Bottleneck堆叠和3个标准卷积层，另一支仅经过一个基本卷积模块，最后将两支进行concat操作。

结构图片描述：
 
C3模块：

BottleNeckCSP模块：

代码实现：

class C3(nn.Module):
    # CSP Bottleneck with 3 convolutions
    def __init__(self, c1, c2, n=1, shortcut=True, g=1, e=0.5):  # ch_in, ch_out, number, shortcut, groups, expansion
        super(C3, self).__init__()
        c_ = int(c2 * e)  # hidden channels
        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(*[Bottleneck(c_, c_, shortcut, g, e=1.0) for _ in range(n)])

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

 

05.SPP模块

1. SPP是空间金字塔池化的简称，其先通过一个标准卷积模块将输入通道减半，然后分别做kernel-size为5，9，13的maxpooling（对于不同的核大小，padding是自适应的）。
2. 对三次最大池化的结果与未进行池化操作的数据进行concat，最终合并后channel数是原来的2倍。

结构图片描述：

代码实现：

class SPP(nn.Module):
    # Spatial pyramid pooling layer used in YOLOv3-SPP
    def __init__(self, c1, c2, k=(5, 9, 13)):
        super(SPP, self).__init__()
        c_ = c1 // 2  # hidden channels
        self.cv1 = Conv(c1, c_, 1, 1)
        self.cv2 = Conv(c_ * (len(k) + 1), c2, 1, 1)
        self.m = nn.ModuleList([nn.MaxPool2d(kernel_size=x, stride=1, padding=x // 2) for x in k])

    def forward(self, x):
        x = self.cv1(x)
        return self.cv2(torch.cat([x] + [m(x) for m in self.m], 1))

 
 
 

2.为yolov5添加CBAM注意力机制

01.CBAM机制

采用CBAM混合域注意力机制，同时对通道注意力和空间注意力进行评价打分。CBAM 包含2个子模块，Channel Attention Module（CAM）和Spartial Attention Module （SAM） 分别实现通道和空间的Attention。
此处参考1. 注意力机制参考链接
    2. CBAM参考链接

02.具体步骤

①.以yolov5l结构为例（其实只是深度和宽度因子不同），修改yolov5l.yaml，将C3模块修改为添加注意力机制后的模块CBAMC3，参数不变即可。

②.在common.py中添加CBAMC3模块

class ChannelAttention(nn.Module):
    def __init__(self, in_planes, ratio=16):
        super(ChannelAttention, self).__init__()
        self.avg_pool = nn.AdaptiveAvgPool2d(1)
        self.max_pool = nn.AdaptiveMaxPool2d(1)

        self.f1 = nn.Conv2d(in_planes, in_planes // ratio, 1, bias=False)
        self.relu = nn.ReLU()
        self.f2 = nn.Conv2d(in_planes // ratio, in_planes, 1, bias=False)
        # 写法二,亦可使用顺序容器
        # self.sharedMLP = nn.Sequential(
        # nn.Conv2d(in_planes, in_planes // ratio, 1, bias=False), nn.ReLU(),
        # nn.Conv2d(in_planes // rotio, in_planes, 1, bias=False))

        self.sigmoid = nn.Sigmoid()

    def forward(self, x):
        avg_out = self.f2(self.relu(self.f1(self.avg_pool(x))))
        max_out = self.f2(self.relu(self.f1(self.max_pool(x))))
        out = self.sigmoid(avg_out + max_out)
        return torch.mul(x, out)


class SpatialAttention(nn.Module):
    def __init__(self, kernel_size=7):
        super(SpatialAttention, self).__init__()

        assert kernel_size in (3, 7), 'kernel size must be 3 or 7'
        padding = 3 if kernel_size == 7 else 1

        self.conv = nn.Conv2d(2, 1, kernel_size, padding=padding, bias=False)
        self.sigmoid = nn.Sigmoid()

    def forward(self, x):
        avg_out = torch.mean(x, dim=1, keepdim=True)
        max_out, _ = torch.max(x, dim=1, keepdim=True)
        out = torch.cat([avg_out, max_out], dim=1)
        out = self.sigmoid(self.conv(out))
        return torch.mul(x, out)


class CBAMC3(nn.Module):
    # CSP Bottleneck with 3 convolutions
    def __init__(self, c1, c2, n=1, shortcut=True, g=1, e=0.5):  # ch_in, ch_out, number, shortcut, groups, expansion
        super(CBAMC3, self).__init__()
        c_ = int(c2 * e)  # hidden channels
        self.cv1 = Conv(c1, c_, 1, 1)
        self.cv2 = Conv(c1, c_, 1, 1)
        self.cv3 = Conv(2 * c_, c2, 1)
        self.m = nn.Sequential(*[Bottleneck(c_, c_, shortcut, g, e=1.0) for _ in range(n)])
        self.channel_attention = ChannelAttention(c2, 16)
        self.spatial_attention = SpatialAttention(7)

        # self.m = nn.Sequential(*[CrossConv(c_, c_, 3, 1, g, 1.0, shortcut) for _ in range(n)])

    def forward(self, x):
   		# 将最后的标准卷积模块改为了注意力机制提取特征
        return self.spatial_attention(
            self.channel_attention(self.cv3(torch.cat((self.m(self.cv1(x)), self.cv2(x)), dim=1))))

③.修改yolo.py，添加额外的判断语句

if m in [Conv, GhostConv, Bottleneck, GhostBottleneck, SPP, DWConv, MixConv2d, Focus, CrossConv, BottleneckCSP,
              C3, C3TR, CBAMC3]:
         c1, c2 = ch[f], args[0]
         if c2 != no:  # if not output
             c2 = make_divisible(c2 * gw, 8)

         args = [c1, c2, *args[1:]]
         if m in [BottleneckCSP, C3, C3TR, CBAMC3]:
             args.insert(2, n)  # number of repeats
             n = 1
     elif m is nn.BatchNorm2d:
         args = [ch[f]]
     elif m is Concat:
         c2 = sum([ch[x] for x in f])
     elif m is Detect:
         args.append([ch[x] for x in f])
         if isinstance(args[1], int):  # number of anchors
             args[1] = [list(range(args[1] * 2))] * len(f)
     elif m is Contract:
         c2 = ch[f] * args[0] ** 2
     elif m is Expand:
         c2 = ch[f] // args[0] ** 2
     else:
         c2 = ch[f]

至此，在训练模型时调用我们修改后的yolov5l.yaml，即可在验证注意力机制在yolov5模型上的有效性。