CBAM(Convolutional Block Attention Module)是一种深度学习领域的注意力机制,旨在增强卷积神经网络对图像特征的建模和表示能力。CBAM引入了通道和空间两种不同的注意力机制,使模型能够动态调整特征图的权重,以适应不同的任务和场景。
参考论文:https://arxiv.org/pdf/1807.06521.pdf
深度学习中的卷积神经网络在图像分类、目标检测、图像分割等计算机视觉任务中取得了显著的成功。然而,随着网络结构的不断深化和任务复杂性的增加,传统的CNN模型在一些情况下仍然难以捕捉到图像中的关键特征。这可能是因为传统CNN在处理图像特征时对不同通道和空间位置的信息处理是均等的,忽略了不同通道和空间位置之间的差异性。CBAM的诞生正是为了应对这一挑战。
CBAM模块由两部分组成,分别是通道注意力和空间注意力。以下是CBAM模块的主要组成部分:
(1)通道注意力(Channel Attention)
通道注意力机制用于自适应地调整不同通道的特征响应,以提高对不同特征的敏感性。通道注意力包括以下步骤:
平均池化:对每个通道的特征图进行全局平均池化,得到每个通道上的全局特征。
全连接层:将全局特征映射到一个新的特征空间。这个全连接层负责学习每个通道的权重,以确定其在最终的特征响应中的贡献。
预处理:在使用全连接层输出之前,对其进行一些适当的处理,如使用激活函数。这有助于限制权重的范围并增加模型的非线性表示能力。
广播与相乘:最后通过将通道特定的权重应用到原始的特征图上,获得了自适应调整后的特征响应。这个过程涉及将学习到的通道权重广播到每个空间位置,然后将它们应用到对应的通道特征上。
(2)空间注意力(Spatial Attention)
空间注意力机制用于自适应地调整不同空间位置的特征响应,以提高对不同位置的敏感性。空间注意力包括以下步骤:
最大池化:首先对每个通道的特征图进行全局最大池化,得到每个通道上的最大响应值。
全连接层:将全局最大响应值映射到一个新的特征空间。这个全连接层负责学习每个空间位置的权重,以确定其在最终的特征响应中的贡献。
预处理:与通道注意力类似,空间注意力中的全连接层输出也经过适当的处理,如激活函数。
广播与相乘:最后通过将空间位置特定的权重应用到原始的特征图上,获得了自适应调整后的特征响应。这个过程涉及将学习到的空间位置权重广播到每个通道特征上,然后将它们应用到对应的空间位置上。
通道注意力和空间注意力分别关注了不同方面的特征响应,通道注意力关注通道之间的关系,而空间注意力关注空间位置的关系。通道注意力通过学习每个通道的权重,使模型能够自适应地调整通道特征的重要性,增强对不同特征的建模能力。空间注意力通过学习每个空间位置的权重,使模型能够自适应地调整空间位置特征的重要性,增强对不同位置的建模能力。通过将通道注意力和空间注意力相乘,得到最终的自适应特征响应,这样模型可以在通道和空间维度上更好地捕捉和表示图像特征。
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
class ChannelAttentionModule(nn.Module):
def __init__(self, c1, reduction=16):
super(ChannelAttentionModule, self).__init__()
mid_channel = c1 // reduction
self.avg_pool = nn.AdaptiveAvgPool2d(1)
self.max_pool = nn.AdaptiveMaxPool2d(1)
self.shared_MLP = nn.Sequential(
nn.Linear(in_features=c1, out_features=mid_channel),
nn.LeakyReLU(0.1, inplace=True),
nn.Linear(in_features=mid_channel, out_features=c1)
)
self.act = nn.Sigmoid()
# self.act=nn.SiLU()
def forward(self, x):
avgout = self.shared_MLP(self.avg_pool(x).view(x.size(0), -1)).unsqueeze(2).unsqueeze(3)
maxout = self.shared_MLP(self.max_pool(x).view(x.size(0), -1)).unsqueeze(2).unsqueeze(3)
return self.act(avgout + maxout)
class SpatialAttentionModule(nn.Module):
def __init__(self):
super(SpatialAttentionModule, self).__init__()
self.conv2d = nn.Conv2d(in_channels=2, out_channels=1, kernel_size=7, stride=1, padding=3)
self.act = nn.Sigmoid()
def forward(self, x):
avgout = torch.mean(x, dim=1, keepdim=True)
maxout, _ = torch.max(x, dim=1, keepdim=True)
out = torch.cat([avgout, maxout], dim=1)
out = self.act(self.conv2d(out))
return out
class CBAM(nn.Module):
def __init__(self, c1, c2):
super(CBAM, self).__init__()
self.channel_attention = ChannelAttentionModule(c1)
self.spatial_attention = SpatialAttentionModule()
def forward(self, x):
out = self.channel_attention(x) * x
out = self.spatial_attention(out) * out
return out
在YOLOv5模型中配置模块:
# Parameters
nc:3 # number of classes
depth_multiple: 0.33 # model depth multiple
width_multiple: 0.50 # layer channel multiple
# anchors
anchors:
#- [5,6, 7,9, 12,10] # P2/4
- [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 backbone
backbone:
# [from, number, module, args]
[[-1, 1, Conv, [64, 6, 2, 2]], # 0-P1/2 [c=3,64*0.5=32,3]
[-1, 1, Conv, [128, 3, 2]], # 1-P2/4
[-1, 3, C3, [128]],
[-1, 1, Conv, [256, 3, 2]], # 3-P3/8
[-1, 6, C3, [256]],
[-1, 1, Conv, [512, 3, 2]], # 5-P4/16
[-1, 9, C3, [512]],
[-1, 1, Conv, [1024, 3, 2]], # 7-P5/32
[-1, 3, C3, [1024]],
[-1, 1, CBAM, [1024]], #9
[-1, 1, SPPF, [1024,5]], #10
]
# YOLOv5 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]], # 14
[-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]], # 18 (P3/8-small)
[-1, 1, CBAM, [256]], #19
[-1, 1, Conv, [256, 3, 2]],
[[-1, 15], 1, Concat, [1]], # cat head P4
[-1, 3, C3, [512, False]], # 22 (P4/16-medium) [256, 256, 1, False]
[-1, 1, CBAM, [512]],
[-1, 1, Conv, [512, 3, 2]], #[256, 256, 3, 2]
[[-1, 11], 1, Concat, [1]], # cat head P5
[-1, 3, C3, [1024, False]], # 25 (P5/32-large) [512, 512, 1, False]
[-1, 1, CBAM, [1024]],
[[19, 23, 27], 1, Detect, [nc, anchors]], # Detect(P3, P4, P5)
]
在配置文件中,Backbone和Head中均包含CBAM模块,在训练时加入CBAM训练更稳定,因此一般推荐在Backbone中SPPF前面添加以及在输出预测层前添加
CBAM注意力模块已经在多个计算机视觉任务中取得了显著的成功,以下是一些主要应用领域:
CBAM作为一种强大的注意力模块,为卷积神经网络的性能提升和特征建模提供了重要的工具。随着未来研究的不断发展,CBAM模块将继续在计算机视觉和其他领域中发挥关键作用,为解决复杂的模式识别和数据建模问题提供更好的解决方案。同时,CBAM的核心思想也将激发更多关于注意力机制和特征调整的研究,推动深度学习领域的发展。欢迎大家关注本博主的微信公众号 BestSongC,后续更多的资源如模型改进、可视化界面等都会在此发布。