一、本文介绍
本文记录的是利用BiFormer双级路由注意力机制优化YOLOv11的目标检测网络模型。传统的多头自注意力（MHSA）复杂度高，随着输入空间分辨率增加，计算量呈平方增长，导致严重的可扩展性问题。==而本文所使用的BiFormer在获取全局信息的同时，通过区域到区域路由和令牌到令牌注意力的合理设计，减少了不必要的计算量。==
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二、BiFormer介绍
BiFormer: Vision Transformer with Bi-Level Routing Attention
2.1 出发点
- 解决MHSA的可扩展性问题：传统的多head自注意力（MHSA）复杂度高，随着输入空间分辨率增加，计算量呈平方增长，导致严重的可扩展性问题。例如，在图像识别任务中，高分辨率图像会使MHSA的计算负担过重。
- 实现动态、查询感知的稀疏注意力：现有的稀疏注意力机制要么使用手工制作的静态模式，要么在所有查询中共享采样的键值对子集。而实际中不同查询在不同语义区域应关注不同的键值对，所以需要一种能根据查询动态确定关注的键值对的机制。
2.2 原理
2.2.1 区域到区域路由（Region-to-Region Routing）
- 粗粒度区域过滤：首先在粗粒度区域级别过滤掉最不相关的键值对。对于给定的二维输入特征图$X\in\mathbb{R}^{H\times W\times C}$，将其划分为$S\times S$个非重叠区域，通过计算区域级别的查询和键的邻接矩阵$A^{r}$，并保留每个区域的前$k$个连接，得到路由索引矩阵$I^{r}$。
- 确定关注区域：通过上述步骤，每个区域只需要关注前$k$个路由区域，从而减少了需要计算的区域数量，实现了初步的稀疏化。
2.2.2 令牌到令牌注意力（Token-to-Token Attention）
- 收集键值对：在确定了关注区域后，由于这些区域可能在整个特征图中是分散的，直接进行稀疏矩阵乘法在现代GPU上效率低下。所以先收集这些区域对应的键和值张量$K^{g}=gather(K, I^{r})$，$V^{g}=gather(V, I^{r})$。
- 计算注意力：然后对收集到的键值对应用注意力机制$O = Attention(Q, K^{g}, V^{g})+LCE(V)$，其中还引入了局部上下文增强项$LCE(V)$，它是用深度卷积参数化的。
2.3 结构
2.3.1 整体架构
BiFormer采用四阶段金字塔结构，与一些先进的视觉Transformer类似。在每个阶段，首先使用重叠的补丁嵌入（在第一阶段）或补丁合并模块（在第二到第四阶段）来降低输入空间分辨率同时增加通道数，然后使用$N_{i}$个连续的BiFormer块来转换特征。2.3.1 BiFormer块内部
在每个BiFormer块中，首先使用$3\times3$深度卷积来隐式编码相对位置信息，然后依次应用Bi - Level Routing Attention（BRA）模块和2层MLP模块，分别用于跨位置关系建模和逐位置嵌入。
2.4 优势
- 计算复杂度降低：与普通注意力的$O((H W)^{2})$复杂度和准全局轴向注意力的$O((H W)^{\frac{3}{2}})$复杂度相比，
BRA在适当的区域划分下具有$O((H W)^{\frac{4}{3}})$的复杂度。通过区域到区域路由和令牌到令牌注意力的合理设计，减少了不必要的计算量。 - 性能优越
- 图像分类：在ImageNet - 1K数据集上进行图像分类实验，不同计算量组的模型中，BiFormer - T、BiFormer - S和BiFormer - B分别取得了优异的成绩，超过了很多相关方法和现有技术水平。例如BiFormer - S在不使用额外训练数据或训练技巧的情况下，取得了83.8%的top - 1准确率，使用标记标记技术后可进一步提高到84.3%。
- 目标检测和实例分割：在COCO 2017数据集上，使用RetinaNet进行目标检测和Mask R - CNN进行实例分割，BiFormer在小物体检测上表现突出，整体性能也与一些先进方法相当，在实例分割的各项指标上有明显优势。
- 语义分割：在ADE20K数据集上进行语义分割实验，在Semantic FPN和UperNet框架下，BiFormer - S和BiFormer - B分别取得了较好的成绩，相比一些现有方法提高了mIoU值。
论文：https://arxiv.org/pdf/2303.08810
源码： https://github.com/rayleizhu/BiFormer
三、实现代码及YOLOv11修改步骤
模块完整介绍、个人总结、实现代码、模块改进、二次创新以及各模型添加步骤参考如下地址：
