【YOLOv8改进】 SAConv(Switchable Atrous Convolution)：可切换的空洞卷积
摘要
许多现代目标检测器通过采用二次观察和思考机制展示了卓越的性能。在本文中，我们在目标检测的主干设计中探索了这一机制。在宏观层面上，我们提出了递归特征金字塔（Recursive Feature Pyramid），该金字塔将特征金字塔网络（Feature Pyramid Networks）的额外反馈连接融入到底层的自下而上主干层中。在微观层面上，我们提出了可切换空洞卷积（Switchable Atrous Convolution），该卷积通过不同的空洞率卷积特征，并使用切换函数汇集结果。结合这些方法，我们提出了DetectoRS，它显著提升了目标检测的性能。在COCO test-dev数据集上，DetectoRS实现了最先进的55.7%的目标检测框AP、48.5%的实例分割掩码AP和50.0%的全景分割PQ。代码已公开发布。
文章链接
论文地址：论文地址
代码地址：代码地址
YOLO目标检测创新改进与实战案例专栏
专栏目录： YOLO有效改进系列及项目实战目录 包含卷积，主干 注意力，检测头等创新机制 以及 各种目标检测分割项目实战案例
专栏链接: YOLO基础解析+创新改进+实战案例
基本原理
Switchable Atrous Convolution（SAC）是DetectoRS目标检测系统的关键组件之一。它涉及将输入特征与不同的空洞率进行卷积，并利用开关函数将结果组合在一起。
-
空洞卷积：空洞卷积用于扩大滤波器的视野，而不增加参数或计算量。它根据空洞率𝑟在滤波器值之间引入零，从而扩大有效的核大小。
-
Switchable Atrous Convolution（SAC）：
- 功能：SAC将输入特征与不同的空洞率进行卷积，并利用开关函数将结果组合在一起。
- 空间依赖性：开关函数是空间相关的，允许特征图上的不同位置具有不同的开关，控制SAC的输出。
- 转换：将骨干网络中的标准3x3卷积层转换为SAC，显著提高检测器性能。
- 示例：SAC的概念在图4中有所说明，显示了如何在不同的空洞率之间软切换卷积计算。
-
优势：
- 适应性：SAC通过为较大的对象使用较大的空洞率，适应不同的对象尺度。
- 性能：通过将SAC纳入检测器中，实现了目标检测性能的显著提升。
原理
Switchable Atrous Convolution（SAC）结合了双重观察机制和开关函数
-
双重观察机制的技术原理：
- 宏观层面：通过在特征金字塔网络（FPN）的输出和底层骨干网络之间添加反馈连接，实现了对特征的多次增强和迭代处理。这种反馈机制使得特征能够在不同层级上进行多次观察和处理，从而提高了特征的表征能力和鲁棒性。
- 微观层面：在微观层面，SAC通过在卷积过程中使用不同的空洞率和开关函数来实现“看两次”的概念。不同空洞率的卷积操作能够捕获不同尺度的特征信息，而开关函数则动态地选择不同空洞率下的卷积结果，以适应不同位置和尺度的特征需求。
-
开关函数的应用技术原理：
- 空间适应性：开关函数在空间上是位置相关的，允许不同位置的特征图有不同的开关控制，以实现对特征的精细调节和整合。
- 特征融合：开关函数动态地选择不同空洞率下的卷积结果，并将它们组合在一起，以获得更丰富和准确的特征表示。
- 性能提升：通过开关函数的应用，SAC能够适应不同尺度的对象，并在目标检测任务中提升性能，使系统更具鲁棒性和泛化能力。
yolov8 代码引入
class SAConv2d(ConvAWS2d):
def __init__(self, in_channels, out_channels, kernel_size, s=1, p=None, g=1, d=1, act=True, bias=True):
super().__init__(
in_channels, out_channels, kernel_size, stride=s, padding=autopad(kernel_size, p), dilation=d, groups=g, bias=bias)
# 定义一个1x1卷积作为开关机制
self.switch = torch.nn.Conv2d(
self.in_channels, 1, kernel_size=1, stride=s, bias=True)
self.switch.weight.data.fill_(0)
self.switch.bias.data.fill_(1)
# 参数，用于调整权重差异
self.weight_diff = torch.nn.Parameter(torch.Tensor(self.weight.size()))
self.weight_diff.data.zero_()
# 预先和后续的1x1卷积，用于实现上下文依赖
self.pre_context = torch.nn.Conv2d(
self.in_channels, self.in_channels, kernel_size=1, bias=True)
self.pre_context.weight.data.fill_(0)
self.pre_context.bias.data.fill_(0)
self.post_context = torch.nn.Conv2d(
self.out_channels, self.out_channels, kernel_size=1, bias=True)
self.post_context.weight.data.fill_(0)
self.post_context.bias.data.fill_(0)
# 批归一化和激活函数
self.bn = nn.BatchNorm2d(out_channels)
self.act = nn.SiLU() if act is True else (act if isinstance(act, nn.Module) else nn.Identity())
def forward(self, x):
# 前置上下文模块，增强输入特征
avg_x = torch.nn.functional.adaptive_avg_pool2d(x, output_size=1)
avg_x = self.pre_context(avg_x)
avg_x = avg_x.expand_as(x)
x = x + avg_x
# 使用开关控制不同的卷积核
avg_x = torch.nn.functional.pad(x, pad=(2, 2, 2, 2), mode="reflect")
avg_x = torch.nn.functional.avg_pool2d(avg_x, kernel_size=5, stride=1, padding=0)
switch = self.switch(avg_x)
# 标准化权重并进行卷积
weight = self._get_weight(self.weight)
out_s = super()._conv_forward(x, weight, None)
ori_p = self.padding
ori_d = self.dilation
self.padding = tuple(3 * p for p in self.padding)
self.dilation = tuple(3 * d for d in self.dilation)
weight = weight + self.weight_diff
out_l = super()._conv_forward(x, weight, None)
out = switch * out_s + (1 - switch) * out_l
self.padding = ori_p
self.dilation = ori_d
# 后置上下文模块，增强输出特征
avg_x = torch.nn.functional.adaptive_avg_pool2d(out, output_size=1)
avg_x = self.post_context(avg_x)
avg_x = avg_x.expand_as(out)
out = out + avg_x
return self.act(self.bn(out))
task与yaml配置
详见：https://blog.csdn.net/shangyanaf/article/details/139393928
