【目标检测实验系列】EMA高效注意力机制，融合多尺度特征，助力YOLOv5检测模型涨点(文内附源码)

1. 文章主要内容

本篇博客主要涉及多尺度高效注意力机制，融合到YOLOv5s模型中，增加模型提取多尺度特征的能力，助力模型涨点。（通读本篇博客需要7分钟左右的时间）。

2. 简要概括

论文地址：EMA论文地址

如下图所示。EMA注意力提取特征主要分三个特征分支，分别是X、Y和一个3 x 3 的卷积块。另外，原论文中提出了一种跨分支学习，将其中的三个分支融合在一起，丰富多尺度感受野的特征，最后调整维度输出。更详细的细节，请阅读原论文。

亮点在于：比起CA注意力机制多了一个3x3的卷积分支，另外新增了跨分支的特征交互，丰富了提取模型的特征信息，有助于模型涨点。

分析：建议将EMA放置于YOLOv5 BackBone部分，因为BackBone是提取特征的关键，另外数据集如果有大量多尺度的目标分布，EMA很有可能起到明显的作用。另外，在EMA基础上，可以做一些微弱的创新，比如新增一个5x5的卷积分支并加入到跨分支学习中等等，这里只是提供一个思路。

3. 详细代码改进流程

3.1新建一个EMA的文件，放置源代码

特别注意：博主这里将EMA与YOLOv5中的C3模块结构融合在一起并命名为C3EMA。所以源代码中会含有C3EMA的代码，另外此代码提高了main函数的测试案例，启动测试控制台打印输入输出通道对得上就木有问题。源代码如下：

import torch
from torch import nn

class EMA(nn.Module):
    def __init__(self, channels, c2=None, factor=32):
        super(EMA, self).__init__()
        self.groups = factor
        assert channels // self.groups > 0
        self.softmax = nn.Softmax(-1)
        self.agp = nn.AdaptiveAvgPool2d((1, 1))
        self.pool_h = nn.AdaptiveAvgPool2d((None, 1))
        self.pool_w = nn.AdaptiveAvgPool2d((1, None))
        self.gn = nn.GroupNorm(channels // self.groups, channels // self.groups)
        self.conv1x1 = nn.Conv2d(channels // self.groups, channels // self.groups, kernel_size=1, stride=1, padding=0)
        self.conv3x3 = nn.Conv2d(channels // self.groups, channels // self.groups, kernel_size=3, stride=1, padding=1)

    def forward(self, x):
        b, c, h, w = x.size()
        group_x = x.reshape(b * self.groups, -1, h, w)  # b*g,c//g,h,w
        x_h = self.pool_h(group_x)
        x_w = self.pool_w(group_x).permute(0, 1, 3, 2)
        hw = self.conv1x1(torch.cat([x_h, x_w], dim=2))
        x_h, x_w = torch.split(hw, [h, w], dim=2)
        x1 = self.gn(group_x * x_h.sigmoid() * x_w.permute(0, 1, 3, 2).sigmoid())
        x2 = self.conv3x3(group_x)
        x11 = self.softmax(self.agp(x1).reshape(b * self.groups, -1, 1).permute(0, 2, 1))
        x12 = x2.reshape(b * self.groups, c // self.groups, -1)  # b*g, c//g, hw
        x21 = self.softmax(self.agp(x2).reshape(b * self.groups, -1, 1).permute(0, 2, 1))
        x22 = x1.reshape(b * self.groups, c // self.groups, -1)  # b*g, c//g, hw
        weights = (torch.matmul(x11, x12) + torch.matmul(x21, x22)).reshape(b * self.groups, 1, h, w)
        return (group_x * weights.sigmoid()).reshape(b, c, h, w)
        
class C3EMA(nn.Module):
    def __init__(self, c1, c2, n=1, shortcut=True, g=1,
                 e=0.5):  # ch_in, ch_out, number, shortcut, groups, expansion #iscyy

        super(C3EMA, self).__init__()
        c_ = int(c2 * e)  # hidden channels
        self.ema = EMA(c1)
        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(*[CB2d(c_) for _ in range(n)])
        self.m = nn.Sequential(*[Bottleneck(c_, c_, shortcut, g, e=1.0) for _ in range(n)])

    def forward(self, x):
        out = torch.cat((self.m(self.cv1(self.ema(x))), self.cv2(x)), dim=1)
        out = self.cv3(out)
        return out
if __name__ == '__main__':
    model = C3EMA(64,64)
    inputs = torch.randn((1, 64, 64, 64))
    print(model(inputs).size())

3.2新建一个yolov5-EMA.yaml文件

注意到，这里博主直接使用C3EMA代替Backbone部分后面两个C3模块(事实上可以替换结构中的任意C3模块 ), 另外注意nc改为自己数据集的类别数。

# YOLOv5 🚀 by Ultralytics, GPL-3.0 license

# Parameters
nc: 4  # number of classes
depth_multiple: 0.33  # model depth multiple
width_multiple: 0.50  # layer channel multiple
anchors:
  - [10,13, 16,30, 33,23]  # P3/8  小目标
  - [30,61, 62,45, 59,119]  # P4/16 中目标
  - [116,90, 156,198, 373,326]  # P5/32  大目标

# YOLOv5 v6.0 backbone
backbone:
  # [from, number, module, args]
  [[-1, 1, Conv, [64, 6, 2, 2]],  # 0-P1/2  output_channel, kernel_size, stride, padding
   [-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, C3EMA, [512]],
   [-1, 1, Conv, [1024, 3, 2]],  # 7-P5/32
   [-1, 3, C3EMA, [1024]],
   [-1, 1, SPPF, [1024, 5]],  # 9
  ]

# YOLOv5 v6.0 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]],  # 13

   [-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]],  # 17 (P3/8-small)

   [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]],
   [[-1, 14], 1, Concat, [1]],  # cat head P4
   [-1, 3, C3, [512, False]],  # 20 (P4/16-medium)

   [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]],
   [[-1, 10], 1, Concat, [1]],  # cat head P5
   [-1, 3, C3, [1024, False]],  # 23 (P5/32-large)
  
   [[17, 20, 23], 1, Detect, [nc, anchors]],  # Detect(P3, P4, P5)
  ]

3.3 将C3EMA引入到yolo.py文件中

在下图的红色圈内位置处，引入C3EMA(一共是两处地方)，并手动导入相应的包即可。

3.4 修改train.py启动文件

修改配置文件为yolov5-EMA.yaml即可，如下图所示：

4. 总结

本篇博客主要介绍了高效多尺度注意力机制EMA，融合多尺度特征信息，助力YOLOv5模型涨点。另外，在修改过程中，要是有任何问题，评论区交流；如果博客对您有帮助，请帮忙点个赞，收藏一下；后续会持续更新本人实验当中觉得有用的点子，如果很感兴趣的话，可以关注一下，谢谢大家啦！