【CV中的Attention机制】ShuffleAttention

2023-11-13

【GiantPandaCV导语】这个系列已经好几个月没有更新了，开始继续更这个方向论文，19年、20年又出现了很多关于Attention的研究，本文SA-Net:shuffle attention for deep convolutional neural networks 发表在ICASSP 21，传承了SGE的设计理念的同时，引入Channel Shuffle，达到了比较好的效果，有理有据。文章首发于GiantPandaCV，请勿二次转载。

1. 摘要

目前注意力机制主要可以分为两类，空间注意力机制和通道注意力机制，两者目标用于捕获成对的像素级关系和通道间依赖关系的。同时使用两种注意力机制可以达到更好的效果，但是不可避免地增加了模型的计算量。

本文提出了Shuffle Attention（SA）模块来解决这个问题，可以高效地结合两种注意力机制。具体来讲：

SA对通道特征进行分组，得到多个组的子特征。
对每个子特征使用SA Unit同时使用空间和通道间注意力机制。
最后，所有的子特征会被汇集起来，然后使用Channel Shuffle操作让不同组的特征进行融合。

实验结果：在ImageNet-1k数据集上，SA结果要比ResNet50的top 1高出1.34%。同时在MS COCO数据集上进行了目标检测和目标分割的实验，在模型复杂度比较低的情况下，达到了SOTA。

这个实验思路可以看出和SENet如出一辙，分组处理的思想在SGE中提到过，SA-Net添加了Channel Shuffle的操作参考ShuffleNet系列论文，有理有据，实现也很简单。

SA-Net结果展示

2. 设计思想

多分支结构

多分支结构比如最初的InceptionNet系列、ResNet系列等都是多分支结构，遵从的是‘Split - Transform - Merge’的操作模式，这样的设计可以让模型变得更深、更易于训练。

Attention 模块的设计方面也有很多工作引入了多分支，比如SKNet、ResNeSt、SGENet等。

组特征

最初将特征划分为不同的组可以追溯到AlexNet，由于当时的显存太小，所以需要将模型分成两组，每组使用一块显卡进行处理，这是为了解决使用更多计算资源的问题。

之后的MobileNet系列、ShuffleNet系列等使用组特征是为了降低模型的计算量，加快运算速度。

CapsuleNet则是将每个组的神经元视为一个胶囊Capsule，其中，激活的胶囊中的神经元活动代表了图像中特定实体的各种属性。

注意力机制

注意力模块已经成为网络设计的不得不考虑的重要组成部分。注意力模块可以有侧重点的关注有用的特征信息，抑制不重要的特征。self-attention方法是计算一个位置和其上下文的信息作为一个权重，施加到整个图像中。SE对通道间关系进行建模，使用了两个全链接网络进行自学习。ECA则使用了1-D卷积来生成通道间注意力机制，降低了SE的计算量。CBAM，GCNet，SGE等模型结合了空间注意力机制和通道注意力机制。DANet通过将来自不同分支的两个注意模块相加，自适应地整合了局部特征及其全局依赖关系

3. Shuffle Attention

SA的设计思想结合了组卷积（为了降低计算量），空间注意力机制（使用GN实现），通道注意力机制（类似SENet），ShuffleNetV2（使用Channel Shuffle融合不同组之间的信息）。

SA 模块示意图

如上图所示：

首先将tensor划分为g个组，每个组内部使用SA Unit进行处理。
SA内部分为空间注意力机制，如蓝色部分所示，具体实现使用的是GN。
SA内部使用的通道注意力机制，如绿色部分所示，具体实现和SE类似。
SA Unit通过Concate的方式将组内部的信息进行融合。
最后使用Channel Shuffle操作对组进行重排，不同组之间进行信息流通。

GN实现的空间注意力

一般来说，空间注意力机制作用是找到图片中具体哪一块更重要。SA中使用了GroupNorm来获取空间维度的信息。这部分比较特别，但是作者通过消融实验证明了该模块有效性。或许有更好的Spatial Attention?毕竟也没有比较类似CBAM的这种空间注意力方法，所以并不知道GN作为空间注意力是否有优越性。

消融实验

PyTorch代码实现

4. 实验结果

可以看到，要比ECA-Net等模型效果更好，并且要比baseline ResNet50的top1高出1.34%。同样的在ResNet-101为基础添加SA模块，也要比baseline 的top1要高出了0.76%。

ImageNet-1k上结果

目标检测上的实验对比：

COCO Val2017上的结果

可以看出实验提升还是比较大的，AP大约提升了2-3个百分点。

实例分割任务上的实验结果对比：

COCO Val17实例分割结果对比

5. 结论

SA是的核心思想都有迹可循，通过引入组卷积降低计算量，再对每个分组使用空间注意力和通道注意力，最后使用Channel Shuffle操作将不同组之间的信息进行流通。

6. 参考

代码链接：https://github.com/wofmanaf/SA-Net

论文链接：https://arxiv.org/pdf/2102.00240.pdf

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