SE注意力机制——学习记录

声明:


相关介绍:

SE注意力机制(Squeeze-and-Excitation Networks)

一、什么是SE?

SE全称为Squeeze-and-Excitation Networks(挤压与激发网络),是由胡杰等人于2018年提出的注意力机制,获得了ImageNet 2017冠军。其核心思想是:让网络自动学习每个特征通道的重要性,然后对通道进行加权,增强有用特征、抑制无用特征。

二、为什么需要SE?

在传统的卷积神经网络中,卷积操作对特征图的所有通道一视同仁。但实际上,不同通道对最终任务的贡献是不同的------有些通道提取到了关键特征,有些通道则是噪声。SE机制的引入,就是为了让网络能够"关注"到哪些通道更重要。

三、SE的三个核心步骤

SE模块的工作流程可以概括为三个步骤:Squeeze、Excitation、Scale。

第一步:Squeeze(挤压)

将每个通道的空间特征压缩为一个标量值。具体操作是使用全局平均池化,将形状为[H, W, C]的特征图压缩为[1, 1, C]。这个标量代表了该通道的"全局响应程度"。

第二步:Excitation(激发)

通过两层全连接网络学习通道之间的依赖关系。第一层降维(通常reduction=16),减少计算量;第二层升维,恢复到原始通道数。最后使用Sigmoid激活函数,将输出映射到0~1之间,得到每个通道的重要性权重。

第三步:Scale(缩放)

将原始特征图与学习到的重要性权重相乘。重要通道的值被放大,不重要通道的值被抑制。


任务1:在DenseNet结构中加入SE注意力机制,并完成猴豆病识别

采用自建数据集,数据集参数如下:

网络结构就是在DenseNet的Bottleneck中加入了一个SE模块

大概就是这样,代码仅需更改Bottleneck部分,并加入了一个封装好的SE类

复制代码
class SEBlock(nn.Module):
    def __init__(self, channels, reduction=16):
        super(SEBlock, self).__init__()

        inner_channels = max(channels // reduction, 1)
        self.avg_pool = nn.AdaptiveAvgPool2d(1)
        self.fc = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(channels, inner_channels, 1, bias=False),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Conv2d(inner_channels, channels, 1, bias=False),
            nn.Sigmoid()
        )

    def forward(self, x):
        y = self.avg_pool(x)
        y = self.fc(y)
        return x * y

class Bottleneck(nn.Module):
    def __init__(self, in_channels, growth_rate):
        super(Bottleneck, self).__init__()
        self.bn1 = nn.BatchNorm2d(in_channels)
        self.conv1 = nn.Conv2d(in_channels, growth_rate * 4, kernel_size=1, bias=False)
        self.bn2 = nn.BatchNorm2d(growth_rate * 4)
        self.conv2 = nn.Conv2d(growth_rate * 4, growth_rate, kernel_size=3, padding=1, bias=False)
        self.se = SEBlock(growth_rate, reduction=16)

    def forward(self, x):
        out = self.conv1(F.relu(self.bn1(x)))
        out = self.conv2(F.relu(self.bn2(out)))
        out = self.se(out)
        out = torch.cat([x, out], 1)
        return out

模型参数如图所示

接下来对加入SE模块的模型与未加入SE模块的模型进行测试,对比他们的性能

加入SE,50个epochs的0.001初始lr的余弦退火训练结果:

未加入SE,50个epochs的0.001初始lr的余弦退火训练结果:

未加入SE,25+25个epochs的0.0005和0.0001初始lr的余弦退火训练结果:


任务1总结:

从训练结果可以看出,加入了SE模块的网络,比未加入的更快收敛.并且在训练集上达到了更高的准确率.并且测试集最优准确率达到91+(达到训练要求89+)

但是同样也有缺点存在,就是在我们这种小样本的情况下,模型出现了很明显的过拟合情况,这一点是小样本+注意力很难去解决的

其次,SE模块的sigmoid输出易饱和(接近0或1),且与DenseNet的特征累积机制叠加后,导致深层网络出现极端数值放大,少数样本logits爆炸使loss骤增但acc不变。


任务2:改进思路

减少注意力机制的影响,改用残差连接

复制代码
        self.alpha = nn.Parameter(torch.tensor(alpha))
        .
        .
        .
        return x * (1 - self.alpha + self.alpha * y)

通过约束权重值的分配方式不让他太小来降低模型依赖

能看到抗拟合性能有明显的提升

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