# 前言

本文介绍了分层多头注意力驱动的Transformer模型HINT中的核心模块HMHA，并将其集成到YOLO26中。传统多头注意力机制（MHA）存在冗余问题，HMHA通过“通道重排序+分层子空间划分”，使注意力头在不同子空间学习，避免冗余，提取多样化上下文特征。其流程包括通道重排序、分层子空间划分与注意力计算、特征聚合三步。我们将HMHA集成到YOLO26，构建C3k2_HMHA模块，经注册和配置yaml文件后进行实验，以验证其在目标检测任务中的有效性。

文章目录： YOLO26改进大全：卷积层、轻量化、注意力机制、损失函数、Backbone、SPPF、Neck、检测头全方位优化汇总

专栏链接: YOLO26改进专栏

介绍

摘要

Transformer-based 方法在图像修复任务中受到了广泛关注，其中核心组件——多头注意力机制（Multi-Head Attention, MHA）在提取多样特征和恢复高质量图像方面发挥了关键作用。在 MHA 中，各个注意力头在统一划分的子空间上独立计算，这种方式会引发冗余问题，从而影响模型的最终表现。

为了解决这一问题，本文提出了一种改进的多头注意力机制，通过引入多样化的学习器和头之间的多种交互方式，构建了一个分层多头注意力驱动的 Transformer 模型，命名为 HINT，用于图像修复任务。HINT 包含两个核心模块：分层多头注意力模块（HMHA） 和 查询-键缓存更新模块（QKCU），旨在从根本上缓解传统 MHA 中的冗余问题。

具体而言，HMHA 通过使注意力头在不同规模、包含不同信息的子空间中进行学习，提取更加多样的上下文特征。而 QKCU 模块则包括层内与层间的更新机制，进一步通过增强注意力头之间的交互，有效降低冗余。

我们在图像低光增强、去雾、去雪、去噪和去雨这五类图像修复任务中的 12 个基准数据集上进行了大量实验，结果充分证明了 HINT 的优越性。

源代码将开放获取，地址为：https://github.com/joshyZhou/HINT。

创新

HMHA 是 HINT 模型的核心模块，核心目标是解决传统 MHA（多头注意力）的冗余问题——传统 MHA 中所有注意力头从尺寸统一、信息相似的子空间学习，导致多头聚焦同一区域、遗漏退化区域修复，最终影响图像恢复质量。其核心设计思路是通过“通道重排序+分层子空间划分”，让每个注意力头学习差异化、独立的上下文特征，同时保持高效计算。

一、核心设计背景与目标

1. 传统 MHA 的核心缺陷

传统 MHA 对输入特征的通道维度进行均匀划分（例如将总通道数 C 平均分为 h 份，每份尺寸为 C/h），所有注意力头在尺寸相同、信息重叠的子空间中独立计算注意力。这种设计导致：

• 注意力头倾向于关注图像中相同的“易修复区域”（如明亮、清晰区域），造成计算冗余；
• 忽略退化严重的区域（如暗角、雾气覆盖区域），导致修复不完整、细节丢失。

2. HMHA 的核心目标

• 让每个注意力头学习独立且多样化的上下文特征，避免多头冗余；
• 通过分层子空间设计，覆盖不同尺度、不同语义的特征信息（如细节纹理、全局结构）；
• 保持与传统 MHA 相当的计算效率，不显著增加模型复杂度。

二、关键技术步骤与实现细节

HMHA 的工作流程可分为“通道重排序”和“分层子空间划分与注意力计算”两步，具体如下：

1. 步骤1：通道重排序（Reranking）—— 确保子空间独立性

传统 MHA 直接均匀划分通道，导致子空间信息重叠。HMHA 先对通道进行“相似度重排序”，核心目的是让相似信息的通道聚集，不同子空间的信息差异最大化：

• 排序依据：基于皮尔逊相关系数（Pearson Correlation）计算通道间的相似度；
• 操作逻辑：将相似度高的通道归为同一组，相似度低的通道分配到不同组，确保后续划分的每个子空间包含“独特语义信息”（如部分通道聚焦纹理、部分聚焦亮度）；
• 核心作用：从源头减少子空间信息冗余，为每个注意力头分配“专属任务”。

2. 步骤2：分层子空间划分—— 差异化头分配

重排序后，HMHA 对通道进行非均匀的分层划分，而非传统 MHA 的均匀划分：

• 划分规则：将总通道数 C 划分为 h 个不同尺寸的子空间，即 ( C = [C_1, C_2, ..., C_h] )，且满足 ( C_1 ≤ C_2 ≤ ... ≤ C_h )（例如 4 个注意力头的子空间尺寸比例为 [1,2,2,3]）；
• 头与子空间映射：每个注意力头独占一个子空间，在自身子空间内独立执行“缩放点积注意力”（Scaled Dot-Product Attention）；
• 数学表达： 给定归一化输入特征 ( X \in \mathbb{R}^{H×W×C} )（H=高度、W=宽度、C=通道数），第 i 个注意力头的计算为： $$ H_i = Attention(X W_Q^i, X W_K^i, X W_V^i) $$ 其中：
  • $W_Q^i \in \mathbb{R}^{C×C_i}$、$W_K^i \in \mathbb{R}^{C×C_i}$、$W_V^i \in \mathbb{R}^{C×C_i}$ 是第 i 个头的查询（Q）、键（K）、值（V）投影矩阵，维度随子空间尺寸 $C_i$ 自适应调整；
  • $Attention(\cdot)$为标准缩放点积注意力，即 $Attention(Q,K,V) = Softmax(\frac{QK^T}{\sqrt{C_i}})V$（分母为子空间尺寸的平方根，确保梯度稳定）。

3. 步骤3：特征聚合—— 整合多样化特征

所有注意力头计算完成后，通过“拼接（Concat）+ 线性投影（Projection）”整合所有头的输出，得到最终的 HMHA 特征： $$ HMHA(X) = Concat(H_1, H_2, ..., H_h) W_p $$ 其中 $W_p \in \mathbb{R}^{(C_1+C_2+...+C_h)×C}$是输出投影矩阵，将拼接后的特征映射回原始通道维度 C，确保与后续网络层兼容。

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基本原理

核心代码

class HMHA(nn.Module):
    def __init__(self, dim, num_heads=8, bias=False):
        super(HMHA, self).__init__()
        self.num_heads = num_heads
        self.temperature = nn.Parameter(torch.ones(4, 1, 1))

        self.qkv = nn.Conv2d(dim, dim * 3, kernel_size=1, bias=bias)
        self.qkv_dwconv = nn.Conv2d(dim * 3, dim * 3, kernel_size=3, stride=1, padding=1, groups=dim * 3, bias=bias)
        self.project_out = nn.Conv2d(dim, dim, kernel_size=1, bias=bias)
        self.group = [1, 2, 2, 3]

        self.intra_modulator = Intra_CacheModulation(embed_dim=dim)

        self.inter_modulator1 = Inter_CacheModulation(in_c=1 * dim // 8)
        self.inter_modulator2 = Inter_CacheModulation(in_c=2 * dim // 8)
        self.inter_modulator3 = Inter_CacheModulation(in_c=2 * dim // 8)
        self.inter_modulator4 = Inter_CacheModulation(in_c=3 * dim // 8)
        self.inter_modulators = [self.inter_modulator1, self.inter_modulator2, self.inter_modulator3,
                                 self.inter_modulator4]

        self.regroup = ReGroup(self.group)
        self.dim = dim

    def forward(self, x ):
        b, c, h, w = x.shape
        qv_cache = None
        qkv = self.qkv_dwconv(self.qkv(x))
        q, k, v = qkv.chunk(3, dim=1)

        q = rearrange(q, 'b c h w -> b c (h w)')
        k = rearrange(k, 'b c h w -> b c (h w)')
        v = rearrange(v, 'b c h w -> b c (h w)')

        qu, ke, va = self.regroup(q, k, v)
        attScore = []
        tmp_cache = []
        for index in range(len(self.group)):
            query_head = qu[index]
            key_head = ke[index]

            query_head = torch.nn.functional.normalize(query_head, dim=-1)
            key_head = torch.nn.functional.normalize(key_head, dim=-1)

            attn = (query_head @ key_head.transpose(-2, -1)) * self.temperature[index, :, :]
            attn = attn.softmax(dim=-1)

            attScore.append(attn)  # CxC
            t_cache = query_head.clone().detach() + key_head.clone().detach()
            tmp_cache.append(t_cache)

        tmp_caches = torch.cat(tmp_cache, 1)

        out = []
        if qv_cache is not None:
            if qv_cache.shape[-1] != c:
                qv_cache = F.adaptive_avg_pool2d(qv_cache, c)
        for i in range(4):
            if qv_cache is not None:
                inter_modulator = self.inter_modulators[i]
                attScore[i] = inter_modulator(attScore[i], qv_cache) + attScore[i]
                out.append(attScore[i] @ va[i])
            else:
                out.append(attScore[i] @ va[i])

        update_factor = 0.9
        if qv_cache is not None:

            update_elements = CalculateCurrentLayerCache(attScore, c, self.group)
            qv_cache = qv_cache * update_factor + update_elements * (1 - update_factor)
        else:
            qv_cache = CalculateCurrentLayerCache(attScore, c, self.group)
            qv_cache = qv_cache * update_factor

        out_all = torch.concat(out, 1)
        # Intra Modulation
        out_all = self.intra_modulator(out_all, tmp_caches) + out_all

        out_all = rearrange(out_all, 'b  c (h w) -> b c h w', h=h, w=w)
        out_all = self.project_out(out_all)
        return out_all

实验

脚本

import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')
from ultralytics import YOLO

if __name__ == '__main__':
#     修改为自己的配置文件地址
    model = YOLO('./ultralytics/cfg/models/26/yolo26-C3k2_HMHA.yaml')
#     修改为自己的数据集地址
    model.train(data='./ultralytics/cfg/datasets/coco8.yaml',
                cache=False,
                imgsz=640,
                epochs=10,
                single_cls=False,  # 是否是单类别检测
                batch=8,
                close_mosaic=10,
                workers=0,
                # optimizer='MuSGD',  
                optimizer='SGD',
                amp=False,
                project='runs/train',
                name='yolo26-C3k2_HMHA',
                )

结果