transformer系列应用于CV论文理解

Posted 2022-09-26 dear_queen

Transformer

• 1.attention is all you need
• • 1.1 Self-attention
  • • 1.1.1 Scaled Dot-Product Attention
    • 1.1.2 Multi-Head Attention
  • 1.2 fee-forward network
• 2 ViT
• 3. swin transformer
• HorNet

1.attention is all you need

transformer提出背景：
RNN和LSTM的记忆长度有限，无法并行化，先计算t0时刻数据才能计算t0+1时刻的数据，为此提出了transformer，可以进行并行化，并且记忆长度较长。

摘自https://zhuanlan.zhihu.com/p/266069794
主要包含self-attention和fee-forward network；
self-attention包含Scaled Dot-Product Attention和Multi-Head Attention。

1.1 Self-attention

1.1.1 Scaled Dot-Product Attention

（1）输入词组序列，并将每个单词转化为嵌入向量，分别得到x1向量和x2向量（embedding）：

（2）对x1通过Wq，Wk，Wv这三个参数矩阵得到q1、k1、v1三个向量。
x2一样的操作也得到三个向量
Attention(Q,K,V)中Q为（q1，q2，…）
（3）对Q、K向量做归一化也就是QK的T次方/根号dk；
（4）通过softmax激活函数计算score；也就是针对V得到的权重，当score越大也就是对该V越关注。
（3）和（4）的过程也就是下面的图示。

这就是Scaled Dot-Product Attention全过程：

1.1.2 Multi-Head Attention

可以参考b站

Multi-Head Attention相当于h个不同Scaled Dot-Product Attention的集成
若head=2时，相当于并行进行了两个Scaled Dot-Product Attention
第一组为
第二组为
将所有带1的归于head1（看红色标注的小线）

head2也同样划分后得到下面这个图。

对每个head都进行Scaled Dot-Product Attention后，我们可以得到两个z，再对这两个z做拼接（concat）。

1.2 fee-forward network

这一步可以看做为迭代每次选取最优的权值。

2 ViT

AN IMAGE IS WORTH 16X16 WORDS:TRANSFORMERS FOR IMAGE RECOGNITION AT SCALE
很经典的模型结构图：

（1）输入一张图片，随后拆分成16×16个patches（意思是拆分出的这个图片中每个小的图片是16×16的）；
（2）随后将每个patches输入到linear projection of flattened patches，相当于是embedding操作；

（3）embedding（相当于做了一次线性变换降维）后得到每个patches对应的token（粉色的小东西），同时在每个token前面都会加一个位置信息（紫色的小东西0.1.2.3…）。同时可以看到多了一个位置为0时的token，这里是加了一个类别的token，用于记录类别。

（4）随后进入transformer encoder层

（5）进入MLP head层
（6）输出。。。
接下来对transformer encoder层详细展开

3. swin transformer

Swin Transformer: Hierarchical Vision Transformer using Shifted Windows
swin transformer的模型结构图

虽然ViT应用于CV领域，为CV发展提供了新思路，但是ViT存在token数据多，计算self-attention计算量大的缺陷，为题swin transformer的提出设计了新的window，大大减小了计算量。
参考：太阳花的小绿豆
接下来分析下swin transformer与ViT到底存在哪些不同之处：
（1）下采样方式不同：

由图可见，swin transformer下采样时是采用了类似卷积神经网络中的层次化构建方法（Hierarchical feature maps），下采样开始是对图像下采样4倍、8倍、16倍，类似于卷积的方式。而ViT可以看到一直采用同样的下采样方式都是下采样16倍。
（2）window设计：

左边的Multi-head self-attention（MSA）是ViT的window模式，右边是swin transformer的结构–（W-MSA）。由图也可见左边ViT的模式是通过self-attention对这个特征图内部进行的特征提取，而右边swin transformer的模式是首先将特征图进行一个划分，分为4个2×2的windows，然后对每个小windows内部再进行self-attention操作。
首先谈谈为什么要这么做？
相较于MSA的方法，右边的W-MSA方法可以节省很大一部分参数量。（ps：这一部分可以看参考）

（3）我们发现如果采用右边这种W-MSA的方法虽然可以降低参数量，但是却会隔绝不同窗口之间的信息传递。本来是要获取蓝色圈圈这个范围的特征信息的，但是采用右边的方法，我们只能获取到4个红圈圈内的特征信息了，而4个红圈之间的关系是隔绝了的，获取不到的。为此论文中作者又提出了Shift windows Multi-head self-attention。

下面将讲解下Shift windows Multi-head self-attention（SW-MSA）

首先经过W-MSA后形成4个2×2的windows，后引入SW-MSA模块，进行偏移的W-MSA操作。可以发现由左向右变化后窗口都发生了偏移。具体操作可以看参考。总之，通过这种方法即可解决不同窗口间无法进行信息交流的问题。

HorNet

左边是ViT中的经典的transformer block结构，右边是HorNet网络的结构，总体上在HorNet是基于Transformer block结构进行改进的，主要是替换了self-attention结构，更换为了gnconv一个门控卷积结构。ps：没有了解过HorNet的建议先去读下论文~
参考：https://blog.csdn.net/dear_queen/article/details/126142299?spm=1001.2014.3001.5501
参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/561535614