上一篇我们介绍了 ECA，它用一维卷积替代了 SE 中的 MLP bottleneck，用更少的参数实现了更好的通道注意力。
但实际上，这套框架里还有别的优化空间：
在前面的内容里，无论是 SE、CBAM 还是 ECA，它们的通道注意力子模块第一步都是 全局平均池化 （CBAM 额外加入了最大池化），将 \(H \times W \times C\) 的特征图压缩为 \(1 \times 1 \times C\)。
这个过程实际上等价于把所有空间信息做了一个全局平均。对于要得出一个整体性的通道权重来说，这看起来是合理的。
但还有高手，21 年的论文 Coordinate Attention for Efficient Mobile Network Design 提出了新的观点：
GAP 把空间位置信息全部丢弃了，而"特征在图像的哪个位置"本身就是重要信息。通道注意力完全可以同时编码通道关系和空间位置信息。
由此论文提出了 坐标注意力（Coordinate Attention，CA），下面就来详细展开。
1. GAP 的局限性
我们还是先展开 CA 的提出动机，已知对于第 \(c\) 个通道的特征图 \(\mathbf{X}_c \in \mathbb{R}^{H \times W}\)，GAP 的操作是：
\[z_c = \frac{1}{H \times W} \sum_{i=1}^{H} \sum_{j=1}^{W} \mathbf{X}_c(i,j) \]
从效果上讲，GAP 能得到这个通道整体的响应强度。虽然带来了空间信息的损失，但因为这不是我们所关注的内容，因此仍然合理。
但 CA 对此提出了质疑，我们从两个问题出发阐述作者的思路。
1. 同一通道内，特征的大致位置重要吗？
答案是肯定的。
举个例子：同一个"耳朵轮廓"通道，它出现在图像的左上角还是右下角，对判定"这是猫还是狗"的决策路径可能完全不同。
但 GAP 后，这两种情况会得到完全相同的通道描述标量。
2. 通道之间，位置关系的交互重要吗？
同样重要。
比如"耳朵"通道和"眼睛"通道在空间位置上是高度相关的，它们应该出现在彼此附近。但这种跨通道的空间位置关联 在 GAP 之后完全丢失。
ECA 虽然用一维卷积引入了局部通道交互，但它交互的是 GAP 之后的标量，空间的原始结构也早已被破坏。
你可能会想：
我们这么用本来就是只想算通道注意力，空间注意力我有另外的模块去做，你干嘛揪着这点不放？
但 CA 的作者说：
用我的方法，一个模块就可以实现这两个模块的工作，而且大多数情况下性能更好。
这便是 CA 的出发点，如果说 ECA 是 SE 的改进，那么从作用效果上来看，你也可以把 CA 看作 CBAM 的一种改进。
下面就来展开其具体逻辑:
2. CA 的具体改进点
既然 GAP 的问题是"一次性全局压缩丢失了空间信息"，那 CA 的解决思路也很直接：
不要一次性把整个空间压成一个标量。而是沿两个空间方向分别编码，保留位置信息。
具体来说，CA 使用了两路并行的池化操作：
- 沿水平方向（X 轴）池化 ：对每一行做平均池化，得到 \(\mathbf{z}^h \in \mathbb{R}^{C \times H \times 1}\)。
- 沿垂直方向（Y 轴）池化 ：对每一列做平均池化，得到 \(\mathbf{z}^w \in \mathbb{R}^{C \times 1 \times W}\)。
用公式表示，对于第 \(c\) 个通道就是：
\[z_c^h(h) = \frac{1}{W} \sum_{0 \le i < W} \mathbf{X}_c(h, i) \]
\[z_c^w(w) = \frac{1}{H} \sum_{0 \le j < H} \mathbf{X}_c(j, w) \]
于是，CA 生成了两组向量：一个沿高度方向，一个沿宽度方向。这两组向量保留了特征沿各自空间方向上的分布信息。
如果某个通道在图像的顶部响应强、底部响应弱，那么它的 \(\mathbf{z}^h\) 向量会呈现出"上大下小"的趋势。
其实到这里，你会发现这还是一个粒度问题 ：
原本我们将一整个通道上的信息压缩为一个标量，现在我们将其压缩为两个方向上的向量，保留了空间维度上的信息，让模型可以学习到空间注意力。
3. CA 的完整结构
了解了核心思路后，我们来展开 CA 模块的完整结构。
3.1 信息交互
如图所示，得到两路编码 \(\mathbf{z}^h\) 和 \(\mathbf{z}^w\) 后，会先将二者沿空间维度拼接，送入一个共享的 \(1 \times 1\) 卷积进行变换，再对输出进行应用 BN：
\[\mathbf{f} = \delta (\text{BN}( \text{Conv}_{1 \times 1} ([\mathbf{z}^h, \mathbf{z}^w]))) \]
其中，\(\delta\) 是非线性激活函数，论文中使用的是 h-swish:
\[\operatorname{h\text{-}swish}(x) = x \cdot \frac{\operatorname{ReLU6}(x + 3)}{6} \]
\[\operatorname{ReLU6}(z) = \min(\max(z, 0), 6)) \]
但论文里也提到这里只是为了引入非线性，并不强制某个具体函数。
而输出的 \(\mathbf{f} \in \mathbb{R}^{C/r \times (H+W) \times 1}\)，\(r\) 是降维比例，与 SE 中的含义一致。
这一步的目的很明显：让水平和垂直两个方向的信息交互融合。
3.2 权重生成和注入
完成两个方向上的信息交互后，我们就要再把他们拆开：
将 \(\mathbf{f}\) 沿空间维度拆分为 \(\mathbf{f}^h \in \mathbb{R}^{C/r \times H \times 1}\) 和 \(\mathbf{f}^w \in \mathbb{R}^{C/r \times 1 \times W}\)，然后各自通过一个 \(1 \times 1\) 卷积恢复到原始通道数 \(C\)，再经过 Sigmoid 得到最终的注意力权重：
\[\mathbf{g}^h = \sigma\big( \text{Conv}_{1 \times 1}^h(\mathbf{f}^h) \big) \]
\[\mathbf{g}^w = \sigma\big( \text{Conv}_{1 \times 1}^w(\mathbf{f}^w) \big) \]
这里，权重 \(\mathbf{g}_c^h(i)\) 在同一行的所有列是共享的，而 \(\mathbf{g}_c^w(j)\) 在同一列的所有行是共享的。
最终，输入特征图 \(\mathbf{X}_c\) 上的每个位置 \((i, j)\) 会被同时沿两个方向的权重加权：
\[\mathbf{Y}_c(i,j) = \mathbf{X}_c(i,j) \times \mathbf{g}^h_c(i) \times \mathbf{g}^w_c(j) \]
也就是说，位置 \((i,j)\) 的最终权重是由"第 \(i\) 行整体有多重要"和"第 \(j\) 列整体有多重要"共同决定的，这也就是"坐标注意力 "的含义。
这便是 CA 模块的完整逻辑，其最大的改进在于将最初的全局池化改为两个方向上的池化。
4. CA 的参数量
最后，我们再来看看 CA 所需要的参数量：
首先是对拼接后的特征 \(\left[\mathbf{z}^h, \mathbf{z}^w\right]\) 进行的 \(1 \times 1\) 卷积降维，这一层的参数量为：
\[C \times \frac{C}{r} = \frac{C^2}{r} \]
这一点与 SE 完全一致，本质就是一个通道压缩。
接下来，CA 会分成两路，各自通过一个 \(1 \times 1\) 卷积恢复通道数，具体为：
\[\frac{C}{r} \rightarrow C \]
因此，每一路的参数量都是：
\[\frac{C}{r} \times C = \frac{C^2}{r} \]
总计：
\[2 \times \frac{C^2}{r} = \frac{2C^2}{r} \]
最终，将两部分相加，CA 的总参数量为：
\[\frac{C^2}{r} + \frac{2C^2}{r} = \frac{3C^2}{r} \]
可以发现：CA 比 SE 多了 \(\frac{C^2}{r}\)，也就是多出约 50% 的通道注意力参数。
但相应地，这换来了空间建模的能力。
而 CBAM 的参数量为：
\[\frac{2C^2}{r} + 98(7 \times7卷积) \]
因此，二者的参数量还需要在具体数据中进行对比。
不过显而易见的是： CA 省掉了独立的空间注意力模块，避免了额外分支，这带来了结构上的工程优势。
最终，CA 在 MobileNetV2 和 MobileNeXt 等轻量级网络上替换 SE 后，在 ImageNet 分类和 COCO 目标检测上均取得了稳定提升，并且在多数任务上的指标也优于 CBAM，证明了保留空间位置信息对注意力机制的实用价值。