改进YOLOv8：添加CBAM注意力机制（涨点明显）-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了改进YOLOv8：添加CBAM注意力机制（涨点明显）。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

1、计算机视觉中的注意力机制

计算机视觉中的注意力机制是一种聚焦于局部信息的机制，其基本思想是让系统学会忽略无关信息而关注重点信息。这种机制在图像识别、物体检测和人脸识别等任务中都发挥了重要作用。

注意力机制的实现方法有多种，其中包括空间注意力模型、通道注意力模型、空间和通道混合注意力模型等。这些模型可以将图像中的关键信息提取出来，并通过抑制无用信息来提高模型的性能。在计算机视觉中，注意力机制被广泛应用于各种任务，如目标检测、图像分类、人脸识别等。

通过引入注意力机制，计算机视觉系统可以更加高效地处理图像数据，减少计算资源的浪费，同时提高模型的性能和准确性。在未来，随着深度学习技术的不断发展，注意力机制在计算机视觉领域的应用前景将会更加广阔。

1.1 CBAM：通道注意力和空间注意力的集成者

CBAM（Convolutional Block Attention Module）是一种注意力机制，它结合了通道注意力和空间注意力来提高卷积神经网络的性能。通道注意力模块通过计算每个通道的重要性，以区分不同通道之间的特征。空间注意力模块则计算每个像素在空间上的重要性，以更好地捕捉图像中的空间结构。

论文题目：《CBAM: Convolutional Block Attention Module》
论文地址： https://arxiv.org/pdf/1807.06521.pdf
改进YOLOv8：添加CBAM注意力机制（涨点明显）,YOLO,YOLO,CBAM
上图可以看到，CBAM包含CAM（Channel Attention Module）和SAM（Spartial Attention Module）两个子模块，分别进行通道和空间上的Attention。这样不只能够节约参数和计算力，并且保证了其能够做为即插即用的模块集成到现有的网络架构中去。

CBAM的工作原理如下：

通道注意力模块：通过在通道维度上对输入特征图进行最大池化和平均池化，然后将这两个池化结果输入到一个全连接层中，最后输出一个通道注意力权重向量。这个权重向量可以用来加权输入特征图的每个通道，以增强重要的通道特征并抑制不重要的通道特征。
空间注意力模块：类似于通道注意力模块，空间注意力模块也是通过对输入特征图进行操作来计算每个像素的重要性。它通常使用全局平均池化来获取每个像素的特征向量，然后通过一个全连接层来输出每个像素的权重。这些权重可以用于加权输入特征图的每个像素，以强调图像中的重要区域并抑制不重要的区域。

通过将通道注意力和空间注意力模块串联起来，可以得到一个完整的CBAM模块，用于插入到卷积神经网络中以提升模型性能。CBAM可以显著提高计算机视觉任务的性能，例如目标检测、图像分类和语义分割等。

2.Yolov8加入CBAM

改进YOLOv8：添加CBAM注意力机制（涨点明显）,YOLO,YOLO,CBAM

2.1 CBAM加入cony.py中（相当于yolov5中的common.py）

  
"""
通道注意力模型: 通道维度不变，压缩空间维度。该模块关注输入图片中有意义的信息。
1）假设输入的数据大小是(b,c,w,h)
2）通过自适应平均池化使得输出的大小变为(b,c,1,1)
3）通过2d卷积和sigmod激活函数后，大小是(b,c,1,1)
4）将上一步输出的结果和输入的数据相乘，输出数据大小是(b,c,w,h)。
"""
class ChannelAttention(nn.Module):
    # Channel-attention module https://github.com/open-mmlab/mmdetection/tree/v3.0.0rc1/configs/rtmdet
    def __init__(self, channels: int) -> None:
        super().__init__()
        self.pool = nn.AdaptiveAvgPool2d(1)
        self.fc = nn.Conv2d(channels, channels, 1, 1, 0, bias=True)
        self.act = nn.Sigmoid()

    def forward(self, x: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
        return x * self.act(self.fc(self.pool(x)))

"""
空间注意力模块：空间维度不变，压缩通道维度。该模块关注的是目标的位置信息。
1） 假设输入的数据x是(b,c,w,h)，并进行两路处理。
2）其中一路在通道维度上进行求平均值，得到的大小是(b,1,w,h)；另外一路也在通道维度上进行求最大值，得到的大小是(b,1,w,h)。
3） 然后对上述步骤的两路输出进行连接，输出的大小是(b,2,w,h)
4）经过一个二维卷积网络，把输出通道变为1，输出大小是(b,1,w,h)
4）将上一步输出的结果和输入的数据x相乘，最终输出数据大小是(b,c,w,h)。
"""
class SpatialAttention(nn.Module):
    # Spatial-attention module
    def __init__(self, kernel_size=7):
        super().__init__()
        assert kernel_size in (3, 7), 'kernel size must be 3 or 7'
        padding = 3 if kernel_size == 7 else 1
        self.cv1 = nn.Conv2d(2, 1, kernel_size, padding=padding, bias=False)
        self.act = nn.Sigmoid()

    def forward(self, x):
        return x * self.act(self.cv1(torch.cat([torch.mean(x, 1, keepdim=True), torch.max(x, 1, keepdim=True)[0]], 1)))

class CBAM(nn.Module):
    # Convolutional Block Attention Module
    def __init__(self, c1, kernel_size=7):  # ch_in, kernels
        super().__init__()
        self.channel_attention = ChannelAttention(c1)
        self.spatial_attention = SpatialAttention(kernel_size)
        
        

    def forward(self, x):
        return self.spatial_attention(self.channel_attention(x))

2.2 CBAM加入tasks.py中（相当于yolov5中的yolo.py）

from ultralytics.nn.modules import (C1, C2, C3, C3TR, SPP, SPPF, Bottleneck, BottleneckCSP, C2f, C3Ghost, C3x, Classify,
                                    Concat, Conv, ConvTranspose, Detect, DWConv, DWConvTranspose2d, Ensemble, Focus,
                                    GhostBottleneck, GhostConv, Segment,CBAM, GAM_Attention , ResBlock_CBAM)

如图所示：
改进YOLOv8：添加CBAM注意力机制（涨点明显）,YOLO,YOLO,CBAM

2.4 还是在tasks.py，def parse_model(d, ch, verbose=True):函数中

#        添加CBAM注意力机制
        elif m is CBAM:
            c1, c2 = ch[f], args[0]
            if c2 != nc:  # if c2 not equal to number of classes (i.e. for Classify() output)
                c2 = make_divisible(min(c2, max_channels) * width, 8)
            args = [c1,  *args[1:]]

如图所示：
改进YOLOv8：添加CBAM注意力机制（涨点明显）,YOLO,YOLO,CBAM

2.5 CBAM修改对应yaml

CBAM加入yolov8
将yolov8.yaml复制一份，改为yolov8n-CBAM.yaml
路径：ultralytics/ultralytics/cfg/models/v8/yolov8n-CBAM.yaml

改进YOLOv8：添加CBAM注意力机制（涨点明显）,YOLO,YOLO,CBAM
yolov8n-CBAM.yaml

# Ultralytics YOLO 🚀, GPL-3.0 license
# YOLOv8 object detection model with P3-P5 outputs. For Usage examples see https://docs.ultralytics.com/tasks/detect
 
# Parameters
nc: 7  # number of classes
scales: # model compound scaling constants, i.e. 'model=yolov8n.yaml' will call yolov8.yaml with scale 'n'
  # [depth, width, max_channels]
  n: [0.33, 0.25, 1024]  # YOLOv8n summary: 225 layers,  3157200 parameters,  3157184 gradients,   8.9 GFLOPs
  s: [0.33, 0.50, 1024]  # YOLOv8s summary: 225 layers, 11166560 parameters, 11166544 gradients,  28.8 GFLOPs
  m: [0.67, 0.75, 768]   # YOLOv8m summary: 295 layers, 25902640 parameters, 25902624 gradients,  79.3 GFLOPs
  l: [1.00, 1.00, 512]   # YOLOv8l summary: 365 layers, 43691520 parameters, 43691504 gradients, 165.7 GFLOPs
  x: [1.00, 1.25, 512]   # YOLOv8x summary: 365 layers, 68229648 parameters, 68229632 gradients, 258.5 GFLOPs
 
# YOLOv8.0n 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, 3, C2f, [128, True]]
  - [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]]  # 3-P3/8
  - [-1, 6, C2f, [256, True]]
  - [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]]  # 5-P4/16
  - [-1, 6, C2f, [512, True]]
  - [-1, 1, Conv, [1024, 3, 2]]  # 7-P5/32
  - [-1, 3, C2f, [1024, True]]
  - [-1, 1, SPPF, [1024, 5]]  # 9

# YOLOv8.0n head
head:
  - [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']]
  - [[-1, 6], 1, Concat, [1]]  # cat backbone P4
  - [-1, 3, C2f, [512]]  # 12
  - [-1, 1, CBAM, [512]]

  - [-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']]
  - [[-1, 4], 1, Concat, [1]]  # cat backbone P3
  - [-1, 3, C2f, [256]]  # 16 (P3/8-small)
  - [-1, 1, CBAM, [256]]

  - [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]]
  - [[-1, 13], 1, Concat, [1]]  # cat head P4
  - [-1, 3, C2f, [512]]  # 20 (P4/16-medium)
  - [-1, 1, CBAM, [512]]

  - [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]]
  - [[-1, 9], 1, Concat, [1]]  # cat head P5
  - [-1, 3, C2f, [1024]]  # 24 (P5/32-large)
  - [-1, 1, CBAM, [1024]]

  - [[17, 21, 25], 1, Detect, [nc]]  # Detect(P3, P4, P5)