YOLO11改进|注意力机制篇|引入ELA注意力机制

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一、【ELA】注意力机制

1.1【ELA】注意力介绍

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这篇论文的作者通过分析Coordinate Attention(CA) method的局限性，确定了Batch Normalization中泛化能力的缺乏、降维对通道注意力的不利影响以及注意力生成过程的复杂性。为了克服这些挑战，提出了结合一维卷积和Group Normalization特征增强技术。这种方法通过有效地编码两个一维位置特征图，无需降维即可精确定位感兴趣区域，同时允许轻量级实现。与2D卷积相比，1D卷积更适合处理序列信号，并且更轻量、更快。GN与BN相比，展现出可比较的性能和更好的泛化能力。与 CA 类似，ELA 采用strip pooling在空间维度上获取水平和垂直方向的特征向量，保持窄核形状以捕获长程依赖关系，防止不相关区域影响标签预测，从而在各自方向上产生丰富的目标位置特征。ELA 针对每个方向独立处理上述特征向量以获得注意力预测，然后使用点乘操作将其组合在一起，从而确保感兴趣区域的准确位置信息。由下图可以看出ELA相比于CA显得更简单，所以模型也就更轻
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1.2【ELA】核心代码

import torch
import torch.nn as nn


class ELA(nn.Module):
    def __init__(self, in_channels, phi='T'):
        super(ELA, self).__init__()
        '''
        ELA-T 和 ELA-B 设计为轻量级，非常适合网络层数较少或轻量级网络的 CNN 架构
        ELA-B 和 ELA-S 在具有更深结构的网络上表现最佳
        ELA-L 特别适合大型网络。
        '''
        Kernel_size = {'T': 5, 'B': 7, 'S': 5, 'L': 7}[phi]
        groups = {'T': in_channels, 'B': in_channels, 'S': in_channels // 8, 'L': in_channels // 8}[phi]
        num_groups = {'T': 32, 'B': 16, 'S': 16, 'L': 16}[phi]
        pad = Kernel_size // 2
        self.con1 = nn.Conv1d(in_channels, in_channels, kernel_size=Kernel_size, padding=pad, groups=groups, bias=False)
        self.GN = nn.GroupNorm(num_groups, in_channels)
        self.sigmoid = nn.Sigmoid()

    def forward(self, input):
        b, c, h, w = input.size()
        x_h = torch.mean(input, dim=3, keepdim=True).view(b, c, h)
        x_w = torch.mean(input, dim=2, keepdim=True).view(b, c, w)
        x_h = self.con1(x_h)  # [b,c,h]
        x_w = self.con1(x_w)  # [b,c,w]
        x_h = self.sigmoid(self.GN(x_h)).view(b, c, h, 1)  # [b, c, h, 1]
        x_w = self.sigmoid(self.GN(x_w)).view(b, c, 1, w)  # [b, c, 1, w]
        return x_h * x_w * input


if __name__ == "__main__":
    # 创建一个形状为 [batch_size, channels, height, width] 的虚拟输入张量
    input = torch.randn(2, 256, 40, 40)
    ela = ELA(in_channels=256, phi='T')
    output = ela(input)
    print(output.size())

同时大家可以根据下面代码替换自己想要的型号，只需要将phi=''中的字母替换即可
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二、添加【ELA】注意力机制

2.1STEP1

首先找到ultralytics/nn文件路径下新建一个Add-module的python文件包【这里注意一定是python文件包，新建后会自动生成_init_.py】，如果已经跟着我的教程建立过一次了可以省略此步骤，随后新建一个ELA.py文件并将上文中提到的注意力机制的代码全部粘贴到此文件中，如下图所示在这里插入图片描述

2.2STEP2

在STEP1中新建的_init_.py文件中导入增加改进模块的代码包如下图所示

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2.3STEP3

找到ultralytics/nn文件夹中的task.py文件，在其中按照下图添加在这里插入图片描述

2.4STEP4

定位到ultralytics/nn文件夹中的task.py文件中的def parse_model(d, ch, verbose=True): # model_dict, input_channels(3)函数添加如图代码,【如果不好定位可以直接ctrl+f搜索定位】

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三、yaml文件与运行

3.1yaml文件

以下是添加【ELA】注意力机制在大目标检测层中的yaml文件，大家可以注释自行调节，效果以自己的数据集结果为准

# Ultralytics YOLO 🚀, AGPL-3.0 license
# YOLO11 object detection model with P3-P5 outputs. For Usage examples see https://docs.ultralytics.com/tasks/detect

# Parameters
nc: 80 # number of classes
scales: # model compound scaling constants, i.e. 'model=yolo11n.yaml' will call yolo11.yaml with scale 'n'
  # [depth, width, max_channels]
  n: [0.50, 0.25, 1024] # summary: 319 layers, 2624080 parameters, 2624064 gradients, 6.6 GFLOPs
  s: [0.50, 0.50, 1024] # summary: 319 layers, 9458752 parameters, 9458736 gradients, 21.7 GFLOPs
  m: [0.50, 1.00, 512] # summary: 409 layers, 20114688 parameters, 20114672 gradients, 68.5 GFLOPs
  l: [1.00, 1.00, 512] # summary: 631 layers, 25372160 parameters, 25372144 gradients, 87.6 GFLOPs
  x: [1.00, 1.50, 512] # summary: 631 layers, 56966176 parameters, 56966160 gradients, 196.0 GFLOPs

# YOLO11n 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, 2, C3k2, [256, False, 0.25]]
  - [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]] # 3-P3/8
  - [-1, 2, C3k2, [512, False, 0.25]]
  - [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]] # 5-P4/16
  - [-1, 2, C3k2, [512, True]]
  - [-1, 1, Conv, [1024, 3, 2]] # 7-P5/32
  - [-1, 2, C3k2, [1024, True]]
  - [-1, 1, SPPF, [1024, 5]] # 9
  - [-1, 2, C2PSA, [1024]] # 10

# YOLO11n head
head:
  - [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, "nearest"]]
  - [[-1, 6], 1, Concat, [1]] # cat backbone P4
  - [-1, 2, C3k2, [512, False]] # 13

  - [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, "nearest"]]
  - [[-1, 4], 1, Concat, [1]] # cat backbone P3
  - [-1, 2, C3k2, [256, False]] # 16 (P3/8-small)

  - [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]]
  - [[-1, 13], 1, Concat, [1]] # cat head P4
  - [-1, 2, C3k2, [512, False]] # 19 (P4/16-medium)

  - [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]]
  - [[-1, 10], 1, Concat, [1]] # cat head P5
  - [-1, 2, C3k2, [1024, True]] # 22 (P5/32-large)
  - [-1,1,ELA,[]]


  - [[16, 19, 23], 1, Detect, [nc]] # Detect(P3, P4, P5)