1 SENet

SE注意力机制（Squeeze-and-Excitation Networks）:是一种通道类型的注意力机制，就是在通道维度上增加注意力机制，主要内容是是squeeze和excitation.

就是使用另外一个新的神经网络(两个Linear层)，针对通道维度的数据进行学习，获取到特征图每个通道的重要程度，然后再和原始通道数据相乘即可。
具体参考Blog：
CNN中的注意力机制

小结：

1. SENet的核心思想是通过全连接网络根据loss损失来自动学习特征权重，而不是直接根据特征通道的数值分配来判断，使有效的特征通道的权重大。

2. 论文认为excitation操作中使用两个全连接层相比直接使用一个全连接层，它的好处在于，具有更多的非线性，可以更好地拟合通道间的复杂关联。

代码：
拆解步骤，forward代码写的比较细节

import torch
from torch import nn
from torchstat import stat  # 查看网络参数
 
# 定义SE注意力机制的类
class se_block(nn.Module):
    # 初始化, in_channel代表输入特征图的通道数, ratio代表第一个全连接下降通道的倍数
    def __init__(self, in_channel, ratio=4):
        # 继承父类初始化方法
        super(se_block, self).__init__()
        
        # 属性分配
        # 全局平均池化，输出的特征图的宽高=1
        self.avg_pool = nn.AdaptiveAvgPool2d(output_size=1)
        # 第一个全连接层将特征图的通道数下降4倍
        self.fc1 = nn.Linear(in_features=in_channel, out_features=in_channel//ratio, bias=False)
        # relu激活
        self.relu = nn.ReLU()
        # 第二个全连接层恢复通道数
        self.fc2 = nn.Linear(in_features=in_channel//ratio, out_features=in_channel, bias=False)
        # sigmoid激活函数，将权值归一化到0-1
        self.sigmoid = nn.Sigmoid()
        
    # 前向传播
    def forward(self, inputs):  # inputs 代表输入特征图
    
        # 获取输入特征图的shape
        b, c, h, w = inputs.shape
        # 全局平均池化 [b,c,h,w]==>[b,c,1,1]
        x = self.avg_pool(inputs)
        # 维度调整 [b,c,1,1]==>[b,c]
        x = x.view([b,c])
        
        # 第一个全连接下降通道 [b,c]==>[b,c//4]  # 这里也是使用Linear层的原因，只是对Channel进行线性变换
        x = self.fc1(x)
        x = self.relu(x)
        # 第二个全连接上升通道 [b,c//4]==>[b,c]  # 再通过Linear层恢复Channel数目
        x = self.fc2(x)
        # 对通道权重归一化处理  # 将数值转化为（0，1）之间，体现不同通道之间重要程度
        x = self.sigmoid(x)
        
        # 调整维度 [b,c]==>[b,c,1,1]  
        x = x.view([b,c,1,1])
        
        # 将输入特征图和通道权重相乘
        outputs = x * inputs
        return outputs

结果展示：

提示： in_channel/ratio需要大于0，否则线性层输入是0维度，没有意义，可以根据自己需求调整ratio的大小。

2 ECANet

作者表明 SENet 中的降维会给通道注意力机制带来副作用，并且捕获所有通道之间的依存关系是效率不高的，而且是不必要的。
参考Blog：
CNN中的注意力机制

代码：
详细版本：在forward中，介绍了每一步的作用

import torch
from torch import nn
import math
from torchstat import stat  # 查看网络参数
 
# 定义ECANet的类
class eca_block(nn.Module):
    # 初始化, in_channel代表特征图的输入通道数, b和gama代表公式中的两个系数
    def __init__(self, in_channel, b=1, gama=2):
        # 继承父类初始化
        super(eca_block, self).__init__()
        
        # 根据输入通道数自适应调整卷积核大小
        kernel_size = int(abs((math.log(in_channel, 2)+b)/gama))
        # 如果卷积核大小是奇数，就使用它
        if kernel_size % 2:
            kernel_size = kernel_size
        # 如果卷积核大小是偶数，就把它变成奇数
        else:
            kernel_size = kernel_size + 1
        
        # 卷积时，为例保证卷积前后的size不变，需要0填充的数量
        padding = kernel_size // 2
        
        # 全局平均池化，输出的特征图的宽高=1
        self.avg_pool = nn.AdaptiveAvgPool2d(output_size=1)
        # 1D卷积，输入和输出通道数都=1，卷积核大小是自适应的
        # 这个1维卷积需要好好了解一下机制，这是改进SENet的重要不同点
        self.conv = nn.Conv1d(in_channels=1, out_channels=1, kernel_size=kernel_size,
                              bias=False, padding=padding)
        # sigmoid激活函数，权值归一化
        self.sigmoid = nn.Sigmoid()
    
    # 前向传播
    def forward(self, inputs):
        # 获得输入图像的shape
        b, c, h, w = inputs.shape
        
        # 全局平均池化 [b,c,h,w]==>[b,c,1,1]
        x = self.avg_pool(inputs)
        # 维度调整，变成序列形式 [b,c,1,1]==>[b,1,c]
        x = x.view([b,1,c])   # 这是为了给一维卷积
        # 1D卷积 [b,1,c]==>[b,1,c]
        x = self.conv(x)
        # 权值归一化
        x = self.sigmoid(x)
        # 维度调整 [b,1,c]==>[b,c,1,1]
        x = x.view([b,c,1,1])
        
        # 将输入特征图和通道权重相乘[b,c,h,w]*[b,c,1,1]==>[b,c,h,w]
        outputs = x * inputs
        return outputs

精简版：

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
from torchinfo import summary
import math


class EfficientChannelAttention(nn.Module):           # Efficient Channel Attention module
    def __init__(self, c, b=1, gamma=2):
        super(EfficientChannelAttention, self).__init__()
        t = int(abs((math.log(c, 2) + b) / gamma))
        k = t if t % 2 else t + 1

        self.avg_pool = nn.AdaptiveAvgPool2d(1)
        self.conv1 = nn.Conv1d(1, 1, kernel_size=k, padding=int(k/2), bias=False)
        self.sigmoid = nn.Sigmoid()

    def forward(self, x):
        x = self.avg_pool(x)
        # 这里可以对照上一版代码，理解每一个函数的作用
        x = self.conv1(x.squeeze(-1).transpose(-1, -2)).transpose(-1, -2).unsqueeze(-1)
        out = self.sigmoid(x)
        return out

效果展示：

总结：
ECANet参数更少！

3 CBAM

CBAM注意力机制是由**通道注意力机制（channel）和空间注意力机制（spatial）**组成。
先通道注意力，后空间注意力的顺序注意力模块！

3.1 通道注意力

输入数据，对数据分别做最大池化操作和平均池化操作(输出都是batchchannel11)，然后使用SENet的方法，针对channel进行先降维后升维操作，之后将输出的两个结果相加，再使用Sigmoid得到通道权重，再之后使用View函数恢复**(batchchannel11)**维度，和原始数据相乘得到通道注意力结果！
通道注意力代码：

#（1）通道注意力机制
class channel_attention(nn.Module):
    # 初始化, in_channel代表输入特征图的通道数, ratio代表第一个全连接的通道下降倍数
    def __init__(self, in_channel, ratio=4):
        # 继承父类初始化方法
        super(channel_attention, self).__init__()
        
        # 全局最大池化 [b,c,h,w]==>[b,c,1,1]
        self.max_pool = nn.AdaptiveMaxPool2d(output_size=1)
        # 全局平均池化 [b,c,h,w]==>[b,c,1,1]
        self.avg_pool = nn.AdaptiveAvgPool2d(output_size=1)
        
        # 第一个全连接层, 通道数下降4倍
        self.fc1 = nn.Linear(in_features=in_channel, out_features=in_channel//ratio, bias=False)
        # 第二个全连接层, 恢复通道数
        self.fc2 = nn.Linear(in_features=in_channel//ratio, out_features=in_channel, bias=False)
        
        # relu激活函数
        self.relu = nn.ReLU()
        # sigmoid激活函数
        self.sigmoid = nn.Sigmoid()
    
    # 前向传播
    def forward(self, inputs):
        # 获取输入特征图的shape
        b, c, h, w = inputs.shape
        
        # 输入图像做全局最大池化 [b,c,h,w]==>[b,c,1,1]
        max_pool = self.max_pool(inputs)
        # 输入图像的全局平均池化 [b,c,h,w]==>[b,c,1,1]
        avg_pool = self.avg_pool(inputs)
 
        # 调整池化结果的维度 [b,c,1,1]==>[b,c]
        max_pool = max_pool.view([b,c])
        avg_pool = avg_pool.view([b,c])
 
        # 第一个全连接层下降通道数 [b,c]==>[b,c//4]
        x_maxpool = self.fc1(max_pool)
        x_avgpool = self.fc1(avg_pool)
 
        # 激活函数
        x_maxpool = self.relu(x_maxpool)
        x_avgpool = self.relu(x_avgpool)
        
        # 第二个全连接层恢复通道数 [b,c//4]==>[b,c]
        x_maxpool = self.fc2(x_maxpool)
        x_avgpool = self.fc2(x_avgpool)
        
        # 将这两种池化结果相加 [b,c]==>[b,c]
        x = x_maxpool + x_avgpool
        # sigmoid函数权值归一化
        x = self.sigmoid(x)
        # 调整维度 [b,c]==>[b,c,1,1]
        x = x.view([b,c,1,1])
        # 输入特征图和通道权重相乘 [b,c,h,w]
        outputs = inputs * x
        
        return outputs

3.2 空间注意力

针对输入数据，分别选取数据中最大值所在的维度(batch1h*w)，和按照维度进行数据平均操作(batch1hw),然后将两个数据做通道连接(batch2hw),使用卷积操作，将channel维度降为1，之后对结果取sigmoid，得到空间注意力权重，和原始数据相乘得到空间注意力结果。

代码：

#（2）空间注意力机制
class spatial_attention(nn.Module):
    # 初始化，卷积核大小为7*7
    def __init__(self, kernel_size=7):
        # 继承父类初始化方法
        super(spatial_attention, self).__init__()
        
        # 为了保持卷积前后的特征图shape相同，卷积时需要padding
        padding = kernel_size // 2
        # 7*7卷积融合通道信息 [b,2,h,w]==>[b,1,h,w]
        self.conv = nn.Conv2d(in_channels=2, out_channels=1, kernel_size=kernel_size,
                              padding=padding, bias=False)
        # sigmoid函数
        self.sigmoid = nn.Sigmoid()
    
    # 前向传播
    def forward(self, inputs):
        
        # 在通道维度上最大池化 [b,1,h,w]  keepdim保留原有深度
        # 返回值是在某维度的最大值和对应的索引
        x_maxpool, _ = torch.max(inputs, dim=1, keepdim=True)
        
        # 在通道维度上平均池化 [b,1,h,w]
        x_avgpool = torch.mean(inputs, dim=1, keepdim=True)
        # 池化后的结果在通道维度上堆叠 [b,2,h,w]
        x = torch.cat([x_maxpool, x_avgpool], dim=1)
        
        # 卷积融合通道信息 [b,2,h,w]==>[b,1,h,w]
        x = self.conv(x)
        # 空间权重归一化
        x = self.sigmoid(x)
        # 输入特征图和空间权重相乘
        outputs = inputs * x
        return outputs

3.3 CBAM

将通道注意力模块和空间注意力模块顺序串联得到CBAM模块！
代码：

class cbam(nn.Module):
    # 初始化，in_channel和ratio=4代表通道注意力机制的输入通道数和第一个全连接下降的通道数
    # kernel_size代表空间注意力机制的卷积核大小
    def __init__(self, in_channel, ratio=4, kernel_size=7):
        # 继承父类初始化方法
        super(cbam, self).__init__()
        
        # 实例化通道注意力机制
        self.channel_attention = channel_attention(in_channel=in_channel, ratio=ratio)
        # 实例化空间注意力机制
        self.spatial_attention = spatial_attention(kernel_size=kernel_size)
    
    # 前向传播
    def forward(self, inputs):
        
        # 先将输入图像经过通道注意力机制
        x = self.channel_attention(inputs)
        # 然后经过空间注意力机制
        x = self.spatial_attention(x)
        
        return x

结果：

4 展示网络层具体信息

安装包

pip install torchstat

使用

from torchstat import stat 

net = cbam(16)
stat(net, (16, 256, 256))  # 不需要Batch维度

5 SKNet

这是SENet的改进版，增加了多个分支，每个分支的感受野不同。
论文：https://arxiv.org/pdf/1903.06586

代码：

'''
Descripttion: 
Result: 
Author: Philo
Date: 2023-03-02 14:55:44
LastEditors: Philo
LastEditTime: 2023-03-02 16:01:03
'''
import torch.nn as nn
import torch

class SKConv(nn.Module):
    def __init__(self, in_ch, M=3, G=1, r=4, stride=1, L=32) -> None:
        super().__init__()
        """ Constructor
        Args:
        in_ch: input channel dimensionality.
        M: the number of branchs.
        G: num of convolution groups.
        r: the radio for compute d, the length of z.
        stride: stride, default 1.
        L: the minimum dim of the vector z in paper, default 32.
        """
        d = max(int(in_ch/r), L)  # 用来进行线性层的输出通道，当输入数据In_ch很大时，用L就有点丢失数据了。
        self.M = M
        self.in_ch = in_ch
        self.convs = nn.ModuleList([])
        for i in range(M):
            self.convs.append(
                nn.Sequential(
                nn.Conv2d(in_ch, in_ch, kernel_size=3+i*2, stride=stride, padding = 1+i, groups=G),
                nn.BatchNorm2d(in_ch),
                nn.ReLU(inplace=True)
                )
            )
        # print("D:", d)
        self.fc = nn.Linear(in_ch, d)
        self.fcs = nn.ModuleList([])
        for i in range(M):
            self.fcs.append(nn.Linear(d, in_ch))
        self.softmax = nn.Softmax(dim=1)

    def forward(self, x):
        for i, conv in enumerate(self.convs):  # 第一部分，每个分支的数据进行相加,虽然这里使用的是torch.cat，但是后面又用了unsqueeze和sum进行升维和降维
            fea = conv(x).clone().unsqueeze_(dim=1).clone()   # 这里在1这个地方新增了一个维度  16*1*64*256*256
            if i == 0:
                feas = fea
            else:
                feas = torch.cat([feas.clone(), fea], dim=1)  # feas.shape  batch*M*in_ch*W*H
        fea_U = torch.sum(feas.clone(), dim=1)  # batch*in_ch*H*W
        fea_s = fea_U.clone().mean(-1).mean(-1)  # Batch*in_ch
        fea_z = self.fc(fea_s)  # batch*in_ch-> batch*d
        for i, fc in enumerate(self.fcs):
            # print(i, fea_z.shape)
            vector = fc(fea_z).clone().unsqueeze_(dim=1)  # batch*d->batch*in_ch->batch*1*in_ch
            # print(i, vector.shape)
            if i == 0:
                attention_vectors = vector
            else:
                attention_vectors = torch.cat([attention_vectors.clone(), vector], dim=1)  # 同样的相加操作 # batch*M*in_ch
        attention_vectors = self.softmax(attention_vectors.clone()) # 对每个分支的数据进行softmax操作
        attention_vectors = attention_vectors.clone().unsqueeze(-1).unsqueeze(-1) # ->batch*M*in_ch*1*1
        fea_v = (feas * attention_vectors).clone().sum(dim=1) # ->batch*in_ch*W*H
        return fea_v

        
if __name__ == "__main__":
    x = torch.randn(16, 64, 256, 256)
    sk = SKConv(in_ch=64,  M=3, G=1, r=2)
    out = sk(x)
    print(out.shape)
    # in_ch 数据输入维度，M为分指数，G为Conv2d层的组数，基本设置为1，r用来进行求线性层输出通道的。

结果：

该注意力模块不改变输入数据的大小和维度！详细内容都已经在备注里啦，大家可以自己写一遍，走一遍代码！

6 scSE

网络结构图：

论文地址：http://arxiv.org/pdf/1803.02579v2
重点：
文章是2018年发出的，将两种注意力机制后的数据进行相加，在空间注意力中(Space Attention)： 直接就是通过Conv2d(in_ch, 1，kernel_size=1, bias=False)得到一个b * 1 * h * w的数据，然后经过sigmoid进行数据处理，放大重点，缩小非重点，然后将数据与原始数据相乘就得到空间注意力的结果。
在通道注意力中： 需要得到b * ch * 1 * 1 的数据，先是使用一个自适应池化层得到b * ch * 1 * 1 的数据，然后对通道维度先降维在升维，之后使用sigmoid得到权重，和原始数据相乘，得到通道注意力结果。

代码：

'''
Descripttion: 
Result: 
Author: Philo
Date: 2023-03-07 19:16:52
LastEditors: Philo
LastEditTime: 2023-04-07 17:08:14
'''
import torch

import torch.nn as nn

class sSE(nn.Module):  # 空间(Space)注意力
    def __init__(self, in_ch) -> None:
        super().__init__()
        self.conv = nn.Conv2d(in_ch, 1, kernel_size=1, bias=False)
        self.norm = nn.Sigmoid()
    
    def forward(self, x):
        q = self.conv(x)  # b c h w -> b 1 h w
        q = self.norm(q)  # b 1 h w
        return x*q  # 广播机制  

class cSE(nn.Module):   # 通道(channel)注意力
    def __init__(self, in_ch) -> None:
        super().__init__()
        self.avgpool = nn.AdaptiveAvgPool2d(1)  # b c 1 1
        self.relu = nn.ReLU()
        self.Conv_Squeeze = nn.Conv2d(in_ch, in_ch//2, kernel_size=1, bias=False)
        self.norm = nn.Sigmoid()
        self.Conv_Excitation = nn.Conv2d(in_ch//2, in_ch, kernel_size=1, bias=False)
        
    
    def forward(self, x):
        z = self.avgpool(x)  # b c 1 1
        z = self.Conv_Squeeze(z)  # b c//2 1 1
        z = self.relu(z)
        z = self.Conv_Excitation(z) # b c 1 1
        z = self.norm(z)
        return x*z.expand_as(x)   # 扩展

class scSE(nn.Module):
    def __init__(self, in_ch) -> None:
        super().__init__()
        self.cSE = cSE(in_ch)
        self.sSE = sSE(in_ch)
    
    def forward(self, x):
        c_out = self.cSE(x)
        s_out = self.sSE(x)
        return c_out + s_out


x = torch.randn(4, 16, 4, 4)
net = scSE(16)
print(net(x).shape)

结果：

该注意力模块不改变输入数据的大小和维度！代码实现也较为简单，大家可以自己走一遍！

7 Non-Local Net

结构图：

论文地址：https://arxiv.org/pdf/1711.07971
讲解：
整体流程就是公式上写的那样，对一个数据进行三个不同的变化，首先使用一个11的卷积层和维度变换得到$\theta$， 使用一个11的卷积层通过x得到$\phi$ ,将这两个数据进行举证乘法，得到f，然后对f进行softmax得到数据权重，将数据和g相乘，得到最后的结果，不过数据维度和通道数不一样，因此使用一个1*1的卷积层和view函数进行数据恢复，最后将得到数据和原始的x进行相加(类似于残差连接的一样)，就得到最后的结果了。
代码：

'''
Descripttion: 
Result: 
Author: Philo
Date: 2023-03-10 16:50:42
LastEditors: Philo
LastEditTime: 2023-03-11 16:41:50
'''

import torch
from torch import nn
from torch.nn import functional as F

class NonLocalBlockND(nn.Module):
    def __init__(self, in_channels, inter_channels=None, dimension=2, sub_sample=True, bn_layer=True) -> None:
        super().__init__()
        """
        in_channels: 输入通道
        inter_channels: 中间数据通道
        dimension: 输入数据的维度
        sub_sample: 是否进行最大池化 一般是True
        bn_layer: 一般是True
        """
        assert dimension in [1, 2, 3]

        self.dimension = dimension
        self.sub_sample = sub_sample
        self.in_channels = in_channels
        self.inter_channels = inter_channels

        if self.inter_channels is None:
            self.inter_channels = self.in_channels // 2
            if self.inter_channels == 0:
                self.inter_channels = 1
        
        if dimension == 3:
            conv_nd = nn.Conv3d
            max_pool_layer = nn.MaxPool3d(kernel_size=(1,2,2))
            bn = nn.BatchNorm3d
        elif dimension == 2:
            conv_nd = nn.Conv2d
            max_pool_layer = nn.MaxPool2d(kernel_size=(2, 2))
            bn = nn.BatchNorm2d
        else:
            conv_nd = nn.Conv1d
            max_pool_layer = nn.MaxPool1d(kernel_size=(2))
            bn = nn.BatchNorm1d
        
        self.g = conv_nd(in_channels=self.in_channels, out_channels=self.inter_channels, kernel_size=1)

        if bn_layer:
            self.W = nn.Sequential(
                conv_nd(in_channels=self.inter_channels, out_channels=self.in_channels, kernel_size=1),bn(self.in_channels))
            nn.init.constant_(self.W[1].weight, 0)  # 使用 0 对 参数进行赋初值
            nn.init.constant_(self.W[1].bias, 0)   # 使用 0 对参数进行赋初值
        else:
            self.W = conv_nd(in_channels=self.inter_channels, out_channels=self.in_channels, kernel_size=1)
            nn.init.constant_(self.W.weight, 0)
            nn.init.constant_(self.W.bias, 0)
        
        self.theta = conv_nd(in_channels=self.in_channels, out_channels=self.inter_channels, kernel_size=1)
        self.phi = conv_nd(in_channels=self.in_channels, out_channels=self.inter_channels, kernel_size=1)
        
        if sub_sample:
            self.g = nn.Sequential(self.g, max_pool_layer)
            self.phi = nn.Sequential(self.phi, max_pool_layer)
        
    def forward(self, x):
        batch_size = x.size(0)   

        g_x = self.g(x).view(batch_size, self.inter_channels, -1) # b c w*h  这里还经过了maxpool的操作，maxpool:w_out = (w-k_size+2*pad)/k_size + 1
        print(g_x.shape, "self.g后的数据")
        g_x = g_x.permute(0, 2, 1)    #维度变化 b wh c    

        theta_x = self.theta(x).view(batch_size, self.inter_channels, -1) # b c w*h 这里没有经过maxpool操作
        print(theta_x.shape, "self.theta后的数据")
        theta_x = theta_x.permute(0, 2, 1) # b wh c

        phi_x = self.phi(x).view(batch_size, self.inter_channels, -1) # b c w*h 这里经过了maxpool
        print(phi_x.shape, "self.phi_x后的数据")

        f = torch.matmul(theta_x, phi_x) # 1024*8 矩阵乘 8*256  =  1024*256 

        print(f.shape)

        f_div_C = F.softmax(f, dim=-1)  # 对 最后一维做softmax 

        y = torch.matmul(f_div_C, g_x)    # 1024*256  *   256*8   = 1024*8
        print(y.shape, "g_x和y矩阵乘后的结果")
        y = y.permute(0, 2, 1).contiguous()       # 这里的contiguous类似与clone 否则后期对y修改数据，也会对原始数据进行修改  # 得到 batch_size*8*1024
        y = y.view(batch_size, self.inter_channels, *x.size()[2:])  # *x.size()[2:] 这个花里胡哨的，就是获取x的h 和 w; 再将数据恢复到原始格式
        W_y = self.W(y)  # 这里将b inter_ch w h -> b in_ch w h
        z = W_y + x  # 进行残差连接
        return z

x = torch.randn(16, 16, 32, 32)
net = NonLocalBlockND(in_channels=16)
print(net(x).shape)

结果：

数据的中间输出也打印出来了，建议大家跟着写一遍 加深理解！

8 GCNet

结构：

论文地址：https://arxiv.org/abs/1904.11492
重点：
该模型是环节Non-Loca Net计算量过大的情况，代码实现的时候，有不同的组合，一种是支路与主路的Multial操作，一种是如图所示的Add操作，具体选择可以参考代码
代码：

'''
Descripttion: 
Result: 
Author: Philo
Date: 2023-03-11 17:55:19
LastEditors: Philo
LastEditTime: 2023-03-13 20:25:19
'''
import torch
import torch.nn as nn

class GlobalContextBlock(nn.Module):
    def __init__(self, inplanes, ratio, pooling_type="att", fusion_types=('channel_mul')) -> None:
        super().__init__()
        valid_fusion_types = ['channel_add', 'channel_mul']

        assert pooling_type in ['avg', 'att']
        # assert all([f in valid_fusion_types for f in fusion_types])
        assert len(fusion_types) > 0, 'at least one fusion should be used'

        self.inplanes = inplanes
        self.ratio = ratio
        self.planes = int(inplanes*ratio)
        self.pooling_type = pooling_type
        self.fusion_type = fusion_types

        if pooling_type == 'att':
            self.conv_mask = nn.Conv2d(inplanes, 1, kernel_size=1)
            self.softmax = nn.Softmax(dim=2)
        else:
            self.avg_pool = nn.AdaptiveAvgPool2d(1)
        
        if 'channel_add' in fusion_types:
            self.channel_add_conv = nn.Sequential(
                nn.Conv2d(self.inplanes, self.planes, kernel_size=1),
                nn.LayerNorm([self.planes, 1, 1]),
                nn.ReLU(inplace=True),
                nn.Conv2d(self.planes, self.inplanes, kernel_size=1)
            )
        else:
            self.channel_add_conv = None

        if 'channel_mul' in fusion_types:
            self.channel_mul_conv = nn.Sequential(
                nn.Conv2d(self.inplanes, self.planes, kernel_size=1),
                nn.LayerNorm([self.planes, 1, 1]),
                nn.ReLU(inplace=True),
                nn.Conv2d(self.planes, self.inplanes, kernel_size=1)
            )
        else:
            self.channel_mul_conv = None
    
    def spatial_pool(self, x):
        batch, channel, height, width = x.size()
        if self.pooling_type == 'att':  # 这里其实就是空间注意力 最后得到一个b c 1 1的权重
            input_x = x
            input_x = input_x.view(batch, channel, height*width) # -> b c h*w
            input_x = input_x.unsqueeze(1) # -> b 1 c hw
            context_mask = self.conv_mask(x)  # b 1 h w
            context_mask = context_mask.view(batch, 1, height*width)  # b 1 hw
            context_mask = self.softmax(context_mask) # b 1 hw
            context_mask = context_mask.unsqueeze(-1) # b 1 hw 1
            context = torch.matmul(input_x, context_mask) # b(1 c hw  *  1 hw 1) -> b 1 c 1
            context = context.view(batch, channel, 1, 1)  # b c 1 1
        else:
            context = self.avg_pool(x)   # b c 1 1
        return context
    
    def forward(self, x):
        context = self.spatial_pool(x)
        out = x
        if self.channel_mul_conv is not None:
            channel_mul_term = torch.sigmoid(self.channel_mul_conv(context)) # 将权重进行放大缩小
            out = out * channel_mul_term  # 与x进行相乘
        if self.channel_add_conv is not None:
            channel_add_term = self.channel_add_conv(context)
            out = out + channel_add_term
        return out

if __name__ == "__main__":
    input = torch.randn(16, 64, 32, 32)
    net = GlobalContextBlock(64, ratio=1/16)
    out = net(input)
    print(out.shape)

结果：

建议自己在纸上或者是打断点走一遍代码！

9 ASFF

结构：

论文地址：
LearningSpatialFusionforSingle-ShotObjectDetection
重点：
自适应空间特征融合（adaptively spatial feature fusion，ASFF），核心思想是融合多个尺度的特征，区别与传统的相加或者是通道拼接融合，提出了自适应融合，即每个特征前的参数是可以学习的，这个也是代码中需要好好体会的地方，下文给出的模板对数据格式要求严格，不可无脑直接使用，建议读懂代码，有机融合。
严格来说，这个不算注意力机制吧，它是一个trick，后期有时间会整理和分类的！

代码：

'''
Descripttion:  三层的ASFF模块，对数据格式要求很高，建议读懂代码再使用，切不可盲目使用
Result:  根据level确定输出数据的维度
Author: Philo
Date: 2023-06-01 10:48:40
LastEditors: Philo
LastEditTime: 2023-06-07 17:25:21
'''
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
from torchvision.ops import DeformConv2d

def autopad(k, p=None):  # kernel, padding
    # Pad to 'same'
    if p is None:
        p = k // 2 if isinstance(k, int) else [x // 2 for x in k]  # auto-pad
    return p


class Conv(nn.Module):
    # Standard convolution
    def __init__(self, c1, c2, k=1, s=1, p=None, g=1, act=True):  # ch_in, ch_out, kernel, stride, padding, groups
        super(Conv, self).__init__()
        self.conv = nn.Conv2d(c1, c2, k, s, autopad(k, p), groups=g, bias=False)
        self.bn = nn.BatchNorm2d(c2)
        self.act = nn.SiLU() if act is True else (act if isinstance(act, nn.Module) else nn.Identity())

    def forward(self, x):
        return self.act(self.bn(self.conv(x)))

    def forward_fuse(self, x):
        return self.act(self.conv(x))


class ASFF(nn.Module):  # level只有0、1、2
    def __init__(self, level, multiplier=1, rfb=False, vis=False, act_cfg=True):
        """
        multiplier should be 1, 0.5
        which means, the channel of ASFF can be 
        512, 256, 128 -> multiplier=0.5
        1024, 512, 256 -> multiplier=1
        For even smaller, you need change code manually.
        """
        super(ASFF, self).__init__()
        self.level = level
        self.dim = [int(1024*multiplier), int(512*multiplier),
                    int(256*multiplier)]
        # print(self.dim)
        
        self.inter_dim = self.dim[self.level]
        if level == 0:
            self.stride_level_1 = Conv(int(512*multiplier), self.inter_dim, 3, 2)  # size is half              
            self.stride_level_2 = Conv(int(256*multiplier), self.inter_dim, 3, 2)  # size is hale             
            self.expand = Conv(self.inter_dim, int(1024*multiplier), 3, 1)    # size is still
        elif level == 1:
            self.compress_level_0 = Conv(int(1024*multiplier), self.inter_dim, 1, 1)   # size still
            self.stride_level_2 = Conv(int(256*multiplier), self.inter_dim, 3, 2)   # size is half
            self.expand = Conv(self.inter_dim, int(512*multiplier), 3, 1)  # size is still
        elif level == 2:
            self.compress_level_0 = Conv(int(1024*multiplier), self.inter_dim, 1, 1)   # still
            self.compress_level_1 = Conv(int(512*multiplier), self.inter_dim, 1, 1)  # still
            self.expand = Conv(self.inter_dim, int(256*multiplier), 3, 1)  # still

        # when adding rfb, we use half number of channels to save memory # 这个地方以下的代码可以好好学一下，然后融会贯通
        compress_c = 8 if rfb else 16
        self.weight_level_0 = Conv(self.inter_dim, compress_c, 1, 1)
        self.weight_level_1 = Conv(self.inter_dim, compress_c, 1, 1)
        self.weight_level_2 = Conv(self.inter_dim, compress_c, 1, 1)

        self.weight_levels = Conv(compress_c*3, 3, 1, 1)  # channel is change, size is still
        self.vis = vis

    def forward(self, x): # x为列表数据，[f1, f2, f3] channel:f1<f2<f3  size:f1>f2>f3   
        """
        # 
        256, 512, 1024
        from small -> large
        """
        x_level_0=x[2] #最大特征层
        x_level_1=x[1] #中间特征层
        x_level_2=x[0] #最小特征层

        if self.level == 0:
            level_0_resized = x_level_0
            level_1_resized = self.stride_level_1(x_level_1)
            level_2_downsampled_inter = F.max_pool2d(x_level_2, 3, stride=2, padding=1)
            level_2_resized = self.stride_level_2(level_2_downsampled_inter)
        elif self.level == 1:
            level_0_compressed = self.compress_level_0(x_level_0)
            level_0_resized = F.interpolate(level_0_compressed, scale_factor=2, mode='nearest')
            level_1_resized = x_level_1
            level_2_resized = self.stride_level_2(x_level_2)
        elif self.level == 2:
            level_0_compressed = self.compress_level_0(x_level_0)
            level_0_resized = F.interpolate(level_0_compressed, scale_factor=4, mode='nearest')
            x_level_1_compressed = self.compress_level_1(x_level_1)
            level_1_resized = F.interpolate(x_level_1_compressed, scale_factor=2, mode='nearest')
            level_2_resized = x_level_2

        level_0_weight_v = self.weight_level_0(level_0_resized)
        level_1_weight_v = self.weight_level_1(level_1_resized)
        level_2_weight_v = self.weight_level_2(level_2_resized)

        levels_weight_v = torch.cat((level_0_weight_v, level_1_weight_v, level_2_weight_v), 1)
        levels_weight = self.weight_levels(levels_weight_v)
        levels_weight = F.softmax(levels_weight, dim=1)

        fused_out_reduced = level_0_resized * levels_weight[:, 0:1, :, :] +\
            level_1_resized * levels_weight[:, 1:2, :, :] +\
            level_2_resized * levels_weight[:, 2:, :, :]

        out = self.expand(fused_out_reduced)

        if self.vis:
            return out, levels_weight, fused_out_reduced.sum(dim=1)
        else:
            return out

# 输入的数据维度为128 * w * h、   256 * w/2 *h/2、    512 * w/4 * h/4  实例化对象时，multiplier=0.5, level决定输出哪个level的尺寸
x1 = torch.randn(1, 128, 32, 32)
x2 = torch.randn(1, 256, 16, 16)
x3 = torch.randn(1, 512, 8, 8)
net1 = ASFF(level=0,multiplier=0.5)
print(net1([x1, x2, x3]).shape)

# 256 * w * h、   512 * w/2 *h/2、    1024 * w/4 * h/4  实例化对象时，multiplier=1, level决定输出哪个level的尺寸

m1 = torch.randn(1, 256, 128, 128)
m2 = torch.randn(1, 512, 64, 64)
m3 = torch.randn(1, 1024, 32, 32)
net2 = ASFF(level=2,multiplier=1)
print(net2([m1, m2, m3]).shape)

结果：

看懂再用，看懂再用，看懂再用！！！

10 注意力机制后期学习到再持续更新！！

参考博客：
CNN注意力机制
ECANet