本文主要是介绍YOLOv9改进策略：注意力机制 | FocalNet焦点调制注意力取代自注意力，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
💡💡💡本文改进内容：由于自注意力二次的计算复杂度效率较低，尤其是对于高分辨率输入。因此，作者提出了focal modulation network（FocalNet）使用焦点调制模块来取代自注意力。
改进结构图如下：
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YOLOv9魔术师专栏
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1.YOLOv9原理介绍
论文： 2402.13616.pdf (arxiv.org)
代码：GitHub - WongKinYiu/yolov9: Implementation of paper - YOLOv9: Learning What You Want to Learn Using Programmable Gradient Information摘要： 如今的深度学习方法重点关注如何设计最合适的目标函数，从而使得模型的预测结果能够最接近真实情况。同时，必须设计一个适当的架构，可以帮助获取足够的信息进行预测。然而，现有方法忽略了一个事实，即当输入数据经过逐层特征提取和空间变换时，大量信息将会丢失。因此，YOLOv9 深入研究了数据通过深度网络传输时数据丢失的重要问题，即信息瓶颈和可逆函数。作者提出了可编程梯度信息（programmable gradient information，PGI）的概念，来应对深度网络实现多个目标所需要的各种变化。PGI 可以为目标任务计算目标函数提供完整的输入信息，从而获得可靠的梯度信息来更新网络权值。此外，研究者基于梯度路径规划设计了一种新的轻量级网络架构，即通用高效层聚合网络（Generalized Efficient Layer Aggregation Network，GELAN）。该架构证实了 PGI 可以在轻量级模型上取得优异的结果。研究者在基于 MS COCO 数据集的目标检测任务上验证所提出的 GELAN 和 PGI。结果表明，与其他 SOTA 方法相比，GELAN 仅使用传统卷积算子即可实现更好的参数利用率。对于 PGI 而言，它的适用性很强，可用于从轻型到大型的各种模型。我们可以用它来获取完整的信息，从而使从头开始训练的模型能够比使用大型数据集预训练的 SOTA 模型获得更好的结果。对比结果如图1所示。
YOLOv9框架图
1.1 YOLOv9框架介绍
YOLOv9各个模型介绍
2.Focal modulation networks介绍
论文：https://arxiv.org/pdf/2203.11926.pdf
在Transformers中，自注意力（SA）可以说是其成功的关键，它支持依赖于输入的全局交互。但尽管有这些优势，由于自注意力二次的计算复杂度效率较低，尤其是对于高分辨率输入。因此，作者提出了focal modulation network（FocalNet）使用焦点调制模块来取代自注意力。
作者认为，该工作主要的贡献有以下三点：
- 分层语境化，使用一组depth-wise的卷积实现，以不同粒度水平对短程到长程视觉语境进行编码。
- 门控聚合，根据每个token的内容有选择地聚合其上下文特征。
- 调制或元素级仿射变换，将聚合的特征融合到query中。
其中，Window-wise SA从其周围的token中捕获空间上下文信息；为了扩大感受野，Focal Attention使用更远的summarized tokens以捕获粗粒度、长距离的视觉依赖性。Focal Modulation首先将不同粒度级别的空间上下文编码为summarized tokens，然后根据查询内容选择性地融合到查询中。其中，绿色和紫色箭头分别表示注意力交互和依赖查询的聚合。Window-wise SA和Focal Attention都涉及大量的交互和聚合操作。而作者提出的模块通过将聚合与单个查询解耦大大简化了计算过程。
如下图所示：在前两者中，绿色和紫色箭头分别代表注意力交互和基于查询的聚合，但是都存在一个缺陷，即：均需要涉及大量的交互和聚合操作。而Focal Modulation计算过程得到大量简化。
从下图可以看到，基于FocalNet的检测算法模型相对较小，训练数据也比较少，性能却有提高。
自注意力中，key和qury是密集的矩阵相乘，Attention也是和value的密集矩阵乘积。而FocalNet中分别采用Depth-Wise Conv和Point-Wise Conv，计算更轻量化。
算法流程图：
不同level的特征可以注意到图像中不同的区域，包括图像局部特征区域和全局空间信息：
实验
作者将本文的方法分别与基于ConvNet、Transformers和MLP的三组方法在ImageNet-1K和ImageNet-22K数据集上进行了比较。作者还在目标检测及语义分割数据集上达到了良好的效果。
3.FocalNetBlock加入到YOLOv9
3.1新建py文件，路径为models/attention /attention.py
后续开源
3.2修改yolo.py
1)首先进行引用
from models.attention.attention import *2）修改def parse_model(d, ch): # model_dict, input_channels(3)
在源码基础上加入FocalModulationBlock
elif m is nn.BatchNorm2d:args = [ch[f]]###attention #####elif m in {FocalModulationBlock}:c2 = ch[f]args = [c2, *args]###attention #####3.3 yolov9-c-FocalModulationBlock.yaml
# YOLOv9# parameters
nc: 80 # number of classes
depth_multiple: 1.0 # model depth multiple
width_multiple: 1.0 # layer channel multiple
#activation: nn.LeakyReLU(0.1)
#activation: nn.ReLU()# anchors
anchors: 3# YOLOv9 backbone
backbone:[[-1, 1, Silence, []], # conv down[-1, 1, Conv, [64, 3, 2]], # 1-P1/2# conv down[-1, 1, Conv, [128, 3, 2]], # 2-P2/4# elan-1 block[-1, 1, RepNCSPELAN4, [256, 128, 64, 1]], # 3# avg-conv down[-1, 1, ADown, [256]], # 4-P3/8# elan-2 block[-1, 1, RepNCSPELAN4, [512, 256, 128, 1]], # 5# avg-conv down[-1, 1, ADown, [512]], # 6-P4/16# elan-2 block[-1, 1, RepNCSPELAN4, [512, 512, 256, 1]], # 7# avg-conv down[-1, 1, ADown, [512]], # 8-P5/32# elan-2 block[-1, 1, RepNCSPELAN4, [512, 512, 256, 1]], # 9[-1, 1, FocalModulationBlock, [512]], # 10]# YOLOv9 head
head:[# elan-spp block[-1, 1, SPPELAN, [512, 256]], # 11# up-concat merge[-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']],[[-1, 7], 1, Concat, [1]], # cat backbone P4# elan-2 block[-1, 1, RepNCSPELAN4, [512, 512, 256, 1]], # 14# up-concat merge[-1, 1, nn.Upsample, [None, 2, 'nearest']],[[-1, 5], 1, Concat, [1]], # cat backbone P3# elan-2 block[-1, 1, RepNCSPELAN4, [256, 256, 128, 1]], # 17 (P3/8-small)# avg-conv-down merge[-1, 1, ADown, [256]],[[-1, 14], 1, Concat, [1]], # cat head P4# elan-2 block[-1, 1, RepNCSPELAN4, [512, 512, 256, 1]], # 20 (P4/16-medium)# avg-conv-down merge[-1, 1, ADown, [512]],[[-1, 11], 1, Concat, [1]], # cat head P5# elan-2 block[-1, 1, RepNCSPELAN4, [512, 512, 256, 1]], # 23 (P5/32-large)# multi-level reversible auxiliary branch# routing[5, 1, CBLinear, [[256]]], # 24[7, 1, CBLinear, [[256, 512]]], # 25[9, 1, CBLinear, [[256, 512, 512]]], # 26# conv down[0, 1, Conv, [64, 3, 2]], # 27-P1/2# conv down[-1, 1, Conv, [128, 3, 2]], # 28-P2/4# elan-1 block[-1, 1, RepNCSPELAN4, [256, 128, 64, 1]], # 29# avg-conv down fuse[-1, 1, ADown, [256]], # 30-P3/8[[24, 25, 26, -1], 1, CBFuse, [[0, 0, 0]]], # 31 # elan-2 block[-1, 1, RepNCSPELAN4, [512, 256, 128, 1]], # 32# avg-conv down fuse[-1, 1, ADown, [512]], # 33-P4/16[[25, 26, -1], 1, CBFuse, [[1, 1]]], # 34 # elan-2 block[-1, 1, RepNCSPELAN4, [512, 512, 256, 1]], # 35# avg-conv down fuse[-1, 1, ADown, [512]], # 36-P5/32[[26, -1], 1, CBFuse, [[2]]], # 37# elan-2 block[-1, 1, RepNCSPELAN4, [512, 512, 256, 1]], # 38# detection head# detect[[32, 35, 38, 17, 20, 23], 1, DualDDetect, [nc]], # DualDDetect(A3, A4, A5, P3, P4, P5)]🍉🍉🍉 联系WX: AI_CV_0624 欢迎交流！🍉🍉🍉
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