注意力机制以及实现

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通道注意力机制 ChannelAttention

通道注意力最早由SENet提出。
显式地建模特征通道之间的相互依赖关系，让网络自动学习每个通道的重要程度，然后按照这个重要程度提升有用的特征，抑制无用的特征（特征重标定策略）。
主要结构如图所示：
在这里插入图片描述将特征图先进行按通道压缩，比如特征图是[C,H,W]，我们用1x1卷积核做平均池化，将每个通道都压缩为一个数字，就得到了[C,1,1]大小的一个向量，然后用一个全连接层，将其压缩一下，压缩倍率是超参数，自己定，假设压缩四倍，就得到了[C/4,1,1]。压缩完了之后，再用一个全连接层将通道数再扩到到原来的大小[C,1,1]，然后再经过一个sigmoid映射。最后，将得到的权重通过乘法逐通道加权到先前的特征上。就是每个通道的值去乘以二维特征图的对应通道。（比如第三通道是0.5，那么特征图的第三通道上的HxW个数全部乘以0.5）

这个先压缩，再升维的过程中，使用全连接层，为每个二维的特征图生成一个权重，这个权重用来显示的声明当前通道的重要性。这就是通道注意力的核心。
我们可以用1x1的卷积代替全连接层来做。
SE模块的代码如下：
参考链接：https://blog.csdn.net/qq_44173974/article/details/126016859

SE模块代码1

# 使用1*1的卷积代替全连接层 避免了tensor维度的额外处理
class SELayer2(nn.Layer):
    def __init__(self,in_channels,reduction=16):
        super(SELayer2, self).__init__()
        self.squeeze =nn.AdaptiveAvgPool2D(1) # 池化（按通道压缩）
        self.excitation=nn.Sequential(
            nn.Conv2D(in_channels, in_channels // reduction, 1, 1, 0), # 压缩
            nn.ReLU(),
            nn.Conv2D(in_channels // reduction, in_channels, 1, 1, 0), # 恢复
            nn.Sigmoid()
        )

    def forward(self,x):
        # x:[n,c,h,w]
        y=self.squeeze(x) 
        y=self.excitation(x) 
        out=x*y  # 将权重逐通道加权到先前的特征上
        return out

SE模块代码2

class SeModule(nn.Module):
    def __init__(self, in_size, reduction=4):
        super(SeModule, self).__init__()
        self.se = nn.Sequential(
            nn.AdaptiveAvgPool2d(1),
            nn.Conv2d(in_size, in_size // reduction, kernel_size=1, stride=1, padding=0, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(in_size // reduction),
 
            nn.PReLU(in_size//reduction),
            nn.Conv2d(in_size // reduction, in_size, kernel_size=1, stride=1, padding=0, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(in_size),
            nn.PReLU(in_size)
        )
 
    def forward(self, x):
        return x * self.se(x)

改进版 ECA-Net

**Efficient Channel Attention)(2020CVPR)**提出，对SE-Net的改进
研究表明，SENet采用的降维操作会对通道注意力的预测产生负面影响，且获取依赖关系效率低且不必要 ;
基于此，提出了一种针对CNN的高效通道注意力(ECA)模块，避免了降维，有效地实现了跨通道交互

在这里插入图片描述
特点：
（1）通过大小为 k 的快速一维卷积实现，其中核大小k表示局部跨通道交互的覆盖范围，即有多少领域参与了一个通道的注意预测；
（2）为了避免通过交叉验证手动调整 k，开发了一种自适应方法确定 k，其中跨通道交互的覆盖范围 (即核大小k) 与通道维度成比例

代码实现：
主要就是把SENet中的全连接换成一维卷积方式

class eca_layer(nn.Module):
    def __init__(self, channel, k_size=3):
        super(eca_layer, self).__init__()
        self.avg_pool = nn.AdaptiveAvgPool2d(1)
        self.conv = nn.Conv1d(1, 1, kernel_size=k_size, padding=(k_size - 1) // 2, bias=False)
        self.sigmoid = nn.Sigmoid()
 
    def forward(self, x):
        # x: input features with shape [b, c, h, w]
        b, c, h, w = x.size()
        # feature descriptor on the global spatial information
        y = self.avg_pool(x)
        # Two different branches of ECA module
        y = self.conv(y.squeeze(-1).transpose(-1, -2)).transpose(-1, -2).unsqueeze(-1)
        # Multi-scale information fusion
        y = self.sigmoid(y)
        return x * y.expand_as(x)

解释一下这两句话：
y = self.avg_pool(x)
y = self.conv(y.squeeze(-1).transpose(-1, -2)).transpose(-1, -2).unsqueeze(-1)
本身是CxHxW大小，经过avg_pool之后，就变成了Cx1x1了。squeeze的作用就是压缩，可以把Cx1x1变成Cx1，然后transpose的作用就是交换两个维度，变成1xC，然后进去做一维卷积。做完了之后，再transpose(-1, -2).unsqueeze(-1)恢复原状
放一段代码，帮助理解

a = torch.tensor([[[1]],[[2]],[[3]],[[4]]])
print(a)
print(a.shape) # shape是4x1x1
b = a.squeeze(-1) # 压缩之后就是 4x1
print(b)
bb = b.unsqueeze(-1) # 
print(bb) # 变回去 4x1x1
c = b.transpose(-1,-2) # 交换之后是 1x4
print(c)

ECCV2018年的Convolutional Block Attention Module,简称CBAM模块
这个论文提出的模块是将通道注意力和空间注意力结合在一起了。
论文中使用的通道注意力结构如图所示：
跟SE模块改动不大，就是平均池化和最大池化一起做
在这里插入图片描述
代码如下：

通道注意力模块代码

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.fc1 = nn.Conv2d(in_planes, in_planes // ratio, 1, bias=False)
        self.relu1 = nn.ReLU()
        self.fc2 = nn.Conv2d(in_planes // ratio, in_planes, 1, bias=False)
 
        self.sigmoid = nn.Sigmoid()
 
    def forward(self, x):
        avg_out = self.fc2(self.relu1(self.fc1(self.avg_pool(x))))
        max_out = self.fc2(self.relu1(self.fc1(self.max_pool(x))))
        out = avg_out + max_out
        return self.sigmoid(out)

空间注意力机制 SpatialAttention

空间注意力机制是关注空间信息，为空间位置建立权重信息。如图所示：
在这里插入图片描述
也很简单，比如你有特征图[C,H,W]，首先按照通道压缩，每个通道对应位置的值相加，取平均，最后压缩得到一个[1,H,W]的特征图，这是平均池化的结果，再做一个最大池化，再得到一个[1,H,W]的特征图，将两个拼接起来，就是[2,H,W]，然后送进一个卷积层里面去学习，最后进行一个sigmoid输出。得到的这个[1,H,W]把他对应乘到原来的特征上去。这就是空间注意力
在这里插入图片描述

代码：

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.conv1 = 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)
        x = torch.cat([avg_out, max_out], dim=1)
        x = self.conv1(x)
        return self.sigmoid(x)

CBAM

Convolutional Block Attention Module
CBAM就是将通道注意力和空间注意力融合在一起

在这里插入图片描述

代码：

class CBAM(nn.Module):
    def __init__(self, inplanes, ratio=16, kernel_size=7):
        super(CBAM, self).__init__()
        self.ca = ChannelAttention(inplanes, ratio)
        self.sa = SpatialAttention(kernel_size)
    def forward(self, x):
        out = x*self.ca(x)
        result = out*self.sa(out)
        return result

参考文章：
https://blog.csdn.net/qq_41573860/article/details/116719469

Resnet_CBAM

参考文章：https://blog.csdn.net/lzzzzzzm/article/details/123558175
在ResNet里面加入CBAM模块
在这里插入图片描述

代码

class Bottleneck(nn.Module):
 
 
    def __init__(
        self,
        inplanes: int,
        planes: int,
        stride: int = 1,
        downsample: Optional[nn.Module] = None,
        groups: int = 1,
        base_width: int = 64,
        dilation: int = 1,
        norm_layer: Optional[Callable[..., nn.Module]] = None
    ):
        super(Bottleneck, self).__init__()
        expansion: int = 4    
        if norm_layer is None:
            norm_layer = nn.BatchNorm2d
        width = int(planes * (base_width / 64.)) * groups
        # Both self.conv2 and self.downsample layers downsample the input when stride != 1
        self.conv1 = conv1x1(inplanes, width)
        self.bn1 = norm_layer(width)
        self.conv2 = conv3x3(width, width, stride, groups, dilation)
        self.bn2 = norm_layer(width)
        self.conv3 = conv1x1(width, planes * self.expansion)
        self.bn3 = norm_layer(planes * self.expansion)
        self.relu = nn.ReLU(inplace=True)
        self.downsample = downsample
        self.stride = stride
 
        # attention
        self.spatial_atten = SpatialAttention()
        self.channel_atten = ChannelAttention(planes * self.expansion)
 
   def forward(self, x: Tensor):
        identity = x
 
        out = self.conv1(x)
        out = self.bn1(out)
        out = self.relu(out)
 
        out = self.conv2(out)
        out = self.bn2(out)
        out = self.relu(out)
 
        out = self.conv3(out)
        out = self.bn3(out)
 
        # attention
        atten = self.channel_atten(out) * out
        atten = self.spatial_atten(atten) * atten
 
        if self.downsample is not None:
            identity = self.downsample(x)
 
        atten += identity
        out = self.relu(atten)
 
        return out

MSCA

多尺度通道

class MSCA(nn.Module):
    def __init__(self, channels=64, r=4):
        super(MSCA, self).__init__()
        out_channels = int(channels // r)
        # local att
        self.local_att = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(channels, out_channels, kernel_size=1, stride=1, padding=0),
            nn.BatchNorm2d(out_channels),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Conv2d(out_channels, channels, kernel_size=1, stride=1, padding=0),
            nn.BatchNorm2d(channels)
        )

        # global att
        self.global_att = nn.Sequential(
            nn.AdaptiveAvgPool2d(1),
            nn.Conv2d(channels, out_channels, kernel_size=1, stride=1, padding=0),
            nn.BatchNorm2d(out_channels),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Conv2d(out_channels, channels, kernel_size=1, stride=1, padding=0),
            nn.BatchNorm2d(channels)
        )

        self.sig = nn.Sigmoid()

    def forward(self, x):

        xl = self.local_att(x)
        xg = self.global_att(x)
        xlg = xl + xg
        wei = self.sig(xlg)
        return wei