YOLOv5改进 | 主干篇 | 利用SENetV1改进网络结构 (ILSVRC冠军得主)

2023-12-28 10:57:41

?一、本文介绍

本文给大家带来的改进机制是SENet（Squeeze-and-Excitation Networks）其是一种通过调整卷积网络中的通道关系来提升性能的网络结构。SENet并不是一个独立的网络模型，而是一个可以和现有的任何一个模型相结合的模块(可以看作是一种通道型的注意力机制)。在SENet中，所谓的挤压和激励（Squeeze-and-Excitation）操作是作为一个单元添加到传统的卷积网络结构中，如残差单元中(后面我会把修改好的残差单元给大家大家直接复制粘贴即可使用)。这样可以增强模型对通道间关系的捕获，提升整体的特征表达能力，而不需要从头开始设计一个全新的网络架构。因此，SENet可以看作是对现有网络模型的一种改进和增强(亲测大中小三中目标检测上都有一定程度的涨点效果)。

推荐指数：?????

涨点效果：?????

专栏回顾：YOLOv5改进专栏——持续复现各种顶会内容——内含100+创新???

训练结果对比图->??

(有效性先用YOLOv8上的实验对比，后期会给大家补上)

?一、本文介绍

二、SENetV1框架原理

三、SENetV1核心代码

??四、手把手教你添加SENetV1网络结构

修改一

修改二

修改三

修改四

修改五

修改五?

修改六?

修改七

五、SENetV1的yaml文件

六、成功运行记录?

七、本文总结

二、SENetV1框架原理

论文地址：官方论文地址

代码地址：官方代码地址

SENet（Squeeze-and-Excitation Networks）的主要思想在于通过挤压-激励（SE）块强化了网络对通道间依赖性的建模。这一创新的核心在于自适应地重新校准每个通道的特征响应，显著提升了网络对特征的表示能力。SE块的叠加构成了SENet架构，有效提高了模型在不同数据集上的泛化性。SENet的创新点包括其独特的结构设计，它在增加极少计算成本的情况下，为现有CNN模型带来了显著的性能提升，并在国际图像识别竞赛ILSVRC 2017中取得了突破性的成果

上图展示了一个挤压-激励（Squeeze-and-Excitation, SE）块的结构。输入特征图 $X$ 经过一个变换 $F_{tr}$ 后产生特征图 $U$ 。然后，特征图 $U$ 被压缩成一个全局描述子，这是通过全局平均池化? $F_{sq}$ 实现的，产生一个通道描述子。这个描述子经过两个全连接层 $F_{ex}$ ，第一个是降维，第二个是升维，并通过激活函数如ReLU和Sigmoid激活。最后，原始特征图 $U$ 与学习到的通道权重 $F_{scale}$ 相乘，得到重新校准的特征图 $hat{X}$ 。这种结构有助于网络通过学习通道间的依赖性，自适应地强化或抑制某些特征通道。?

上面的图片展示了两种神经网络模块的结构图：Inception模块和残差（ResNet）模块。每个模块都有其标准形式和一个修改形式，对比图融入了Squeeze-and-Excitation (SE)块来提升性能。

左面的部分是原始Inception模块（左）和SE-Inception模块（右）。SE-Inception模块通过全局平均池化和两个全连接层（第一个使用ReLU激活函数，第二个使用Sigmoid函数）来生成通道级权重，然后对输入特征图进行缩放。

右面的部分展示了原始残差模块（左）和SE-ResNet模块（右）。SE-ResNet模块在传统的残差连接之后添加了SE块，同样使用全局平均池化和全连接层来获得通道级权重，并对残差模块的输出进行缩放。

这两个修改版模块都旨在增强网络对特征的重要性评估能力，从而提升整体模型的性能。

三、SENetV1核心代码

下面的代码是MSDA的核心代码，我们将其复制导'ultralytics/nn/modules'目录下，在其中创建一个文件，我这里起名为Dilation然后粘贴进去，其余使用方式看章节四。

import torch
from torch import nn
from .conv import Conv
class SELayerV1(nn.Module):
    def __init__(self, channel, reduction=16):
        super(SELayerV1, self).__init__()
        self.avg_pool = nn.AdaptiveAvgPool2d(1)
        self.fc = nn.Sequential(
            nn.Linear(channel, channel // reduction, bias=False),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Linear(channel // reduction, channel, bias=False),
            nn.Sigmoid()
        )

    def forward(self, x):
        b, c, _, _ = x.size()
        y = self.avg_pool(x).view(b, c)
        y = self.fc(y).view(b, c, 1, 1)
        return x * y.expand_as(x)

class Bottleneck(nn.Module):
    """Standard bottleneck."""

    def __init__(self, c1, c2, shortcut=True, g=1, k=(3, 3), e=0.5):
        """Initializes a bottleneck module with given input/output channels, shortcut option, group, kernels, and
        expansion.
        """
        super().__init__()
        c_ = int(c2 * e)  # hidden channels
        self.cv1 = Conv(c1, c_, k[0], 1)
        self.cv2 = Conv(c_, c2, k[1], 1, g=g)
        self.SE = SELayerV1(c2)
        self.add = shortcut and c1 == c2

    def forward(self, x):
        """'forward()' applies the YOLO FPN to input data."""
        return x + self.SE(self.cv2(self.cv1(x))) if self.add else self.SE(self.cv2(self.cv1(x)))


class C2f_SENetV1(nn.Module):
    """Faster Implementation of CSP Bottleneck with 2 convolutions."""

    def __init__(self, c1, c2, n=1, shortcut=False, g=1, e=0.5):
        """Initialize CSP bottleneck layer with two convolutions with arguments ch_in, ch_out, number, shortcut, groups,
        expansion.
        """
        super().__init__()
        self.c = int(c2 * e)  # hidden channels
        self.cv1 = Conv(c1, 2 * self.c, 1, 1)
        self.cv2 = Conv((2 + n) * self.c, c2, 1)  # optional act=FReLU(c2)
        self.m = nn.ModuleList(Bottleneck(self.c, self.c, shortcut, g, k=((3, 3), (3, 3)), e=1.0) for _ in range(n))

    def forward(self, x):
        """Forward pass through C2f layer."""
        y = list(self.cv1(x).chunk(2, 1))
        y.extend(m(y[-1]) for m in self.m)
        return self.cv2(torch.cat(y, 1))

    def forward_split(self, x):
        """Forward pass using split() instead of chunk()."""
        y = list(self.cv1(x).split((self.c, self.c), 1))
        y.extend(m(y[-1]) for m in self.m)
        return self.cv2(torch.cat(y, 1))

四、手把手教你添加SENetV1网络结构

4.1 细节修改教程

4.1.1 修改一

我们找到如下的目录'yolov5-master/models'在这个目录下创建一个文件目录(注意是目录，因为我这个专栏会出很多的更新，这里用一种一劳永逸的方法)文件目录起名modules，然后在下面新建一个文件，将我们的代码复制粘贴进去。

?4.1.2 修改二

然后新建一个__init__.py文件，然后我们在里面添加一行代码。注意标记一个'.'其作用是标记当前目录。

4.1.3 修改三?

然后我们找到如下文件''models/yolo.py''在开头的地方导入我们的模块按照如下修改->

(如果你看了我多个改进机制此处只需要添加一个即可，无需重复添加)

????

4.1.4 修改四

然后我们找到parse_model方法，按照如下修改->

到此就修改完成了，复制下面的ymal文件即可运行。

4.2 SENetV1的yaml文件

4.2.1 SENetV1的yaml文件一

下面的配置文件为我修改的SENetV1的位置，参数的位置里面什么都不用添加空着就行，大家复制粘贴我的就可以运行，同时我提供多个版本给大家，根据我的经验可能涨点的位置。

# YOLOv5 🚀 by Ultralytics, AGPL-3.0 license

# Parameters
nc: 80  # number of classes
depth_multiple: 0.33  # model depth multiple
width_multiple: 0.25  # layer channel multiple
anchors:
  - [10,13, 16,30, 33,23]  # P3/8
  - [30,61, 62,45, 59,119]  # P4/16
  - [116,90, 156,198, 373,326]  # P5/32

# YOLOv5 v6.0 backbone
backbone:
  # [from, number, module, args]
  [[-1, 1, Conv, [64, 6, 2, 2]],  # 0-P1/2
   [-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, C3, [512]],
   [-1, 1, Conv, [1024, 3, 2]],  # 7-P5/32
   [-1, 3, C3, [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_SENetV1, [256, False]],  # 17 (P3/8-small)

   [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]],
   [[-1, 14], 1, Concat, [1]],  # cat head P4
   [-1, 3, C3_SENetV1, [512, False]],  # 20 (P4/16-medium)

   [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]],
   [[-1, 10], 1, Concat, [1]],  # cat head P5
   [-1, 3, C3_SENetV1, [1024, False]],  # 23 (P5/32-large)

   [[17, 20, 23], 1, Detect, [nc, anchors]],  # Detect(P3, P4, P5)
  ]

4.2.2 SENetV1的yaml文件二

# YOLOv5 🚀 by Ultralytics, AGPL-3.0 license

# Parameters
nc: 80  # number of classes
depth_multiple: 0.33  # model depth multiple
width_multiple: 0.25  # layer channel multiple
anchors:
  - [10,13, 16,30, 33,23]  # P3/8
  - [30,61, 62,45, 59,119]  # P4/16
  - [116,90, 156,198, 373,326]  # P5/32

# YOLOv5 v6.0 backbone
backbone:
  # [from, number, module, args]
  [[-1, 1, Conv, [64, 6, 2, 2]],  # 0-P1/2
   [-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, C3, [512]],
   [-1, 1, Conv, [1024, 3, 2]],  # 7-P5/32
   [-1, 3, C3, [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_SENetV1, [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_SENetV1, [256, False]],  # 17 (P3/8-small)

   [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]],
   [[-1, 14], 1, Concat, [1]],  # cat head P4
   [-1, 3, C3_SENetV1, [512, False]],  # 20 (P4/16-medium)

   [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]],
   [[-1, 10], 1, Concat, [1]],  # cat head P5
   [-1, 3, C3_SENetV1, [1024, False]],  # 23 (P5/32-large)

   [[17, 20, 23], 1, Detect, [nc, anchors]],  # Detect(P3, P4, P5)
  ]

4.2.3 SENetV1的yaml文件三

注意此版本的我再大目标，小目标，中目标三个曾的后面添加了一个注意力机制，此版本需要显存较大，可以根据自己的需求增删，如果修改大家要注意修改Detect里面的检测层数。

# YOLOv5 🚀 by Ultralytics, AGPL-3.0 license

# Parameters
nc: 80  # number of classes
depth_multiple: 0.33  # model depth multiple
width_multiple: 0.25  # layer channel multiple
anchors:
  - [10,13, 16,30, 33,23]  # P3/8
  - [30,61, 62,45, 59,119]  # P4/16
  - [116,90, 156,198, 373,326]  # P5/32

# YOLOv5 v6.0 backbone
backbone:
  # [from, number, module, args]
  [[-1, 1, Conv, [64, 6, 2, 2]],  # 0-P1/2
   [-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, C3, [512]],
   [-1, 1, Conv, [1024, 3, 2]],  # 7-P5/32
   [-1, 3, C3, [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, SELayerV1, []], # 18

   [-1, 1, Conv, [256, 3, 2]],
   [[-1, 14], 1, Concat, [1]],  # cat head P4
   [-1, 3, C3, [512, False]],  # 21 (P4/16-medium)
   [-1, 1, SELayerV1, []], #22

   [-1, 1, Conv, [512, 3, 2]],
   [[-1, 10], 1, Concat, [1]],  # cat head P5
   [-1, 3, C3, [1024, False]],  # 25 (P5/32-large)
   [-1, 1, SELayerV1, []], # 26

   [[18, 22, 26], 1, Detect, [nc, anchors]],  # Detect(P3, P4, P5)
  ]

4.3 SENetV1运行成功截图

附上我的运行记录确保我的教程是可用的。?

4.4 推荐SENetV1可添加的位置?

SENetV1是一种即插即用的可替换注意力机制的模块，其可以添加的位置有很多，添加的位置不同效果也不同，所以我下面推荐几个添加的位，置大家可以进行参考，当然不一定要按照我推荐的地方添加。

残差连接中：在残差网络的残差连接中加入SENetV1。

Neck部分：YOLOv5的Neck部分负责特征融合，这里添加修改后的C3_SENetV1可以帮助模型更有效地融合不同层次的特征。

检测头：可以再检测头前面添加。

检测头中：可以再检测头的内部添加该机制(未提供因为需要修改检测头比较麻烦，后期专栏收费后大家购买专栏之后大家会得到一个包含上百个机制的v5文件里面包含所有的改进机制)

五、本文总结?

到此本文的正式分享内容就结束了，在这里给大家推荐我的YOLOv5改进有效涨点专栏，本专栏目前为新开的平均质量分98分，后期我会根据各种最新的前沿顶会进行论文复现，也会对一些老的改进机制进行补充，目前本专栏免费阅读(暂时，大家尽早关注不迷路~)，如果大家觉得本文帮助到你了，订阅本专栏，关注后续更多的更新~

?专栏回顾：YOLOv5改进专栏——持续复现各种顶会内容——内含100+创新

文章来源:https://blog.csdn.net/java1314777/article/details/135228523
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