从ViT到Swin，10篇顶会论文看Transformer在CV领域的发展历程

Posted 2022-03-07 fareise

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1. CV中的Transformer介绍

随着Transformer在NLP领域主流地位的确立，越来越多的工作开始尝试将Transformer应用到CV领域中。CV Transformer的发展主要经历了以下3个阶段；首先是在CNN中引入Attention机制解决CNN模型结构只能提取local信息缺乏考虑全局信息能力的问题；接下来，相关研究逐渐开始朝着使用完全的Transformer模型替代CNN，解决图像领域问题；目前Transformer解决CV问题已经初见成效，更多的工作开始研究对CV Transformer细节的优化，包括对于高分辨率图像如何提升运行效率、如何更好的将图像转换成序列以保持图像的结构信息、如何进行运行效率和效果的平衡等。本文梳理了近期10篇Transformer、Attention机制在计算机视觉领域的应用，从ViT到Swin Transformer，完整了解CV Transformer的发展过程。

2. Attention机制增强CNN阶段

CNN的模型结构特点是对局部信息汇聚建模，其劣势在于难以对长周期进行建模。而Attention模型有较强的的长周期建模能力，因此Attention Augmented Convolutional Networks（2020）提出使用Attention来弥补CNN在超长周期建模的不足。该方法将输入的图像[H, W, F]转换成二维度[H*W, F]作为Attention部分输入，Attention模型采用了multi-head attention的形式。为了弥补Transformer对于空间位置信息提取能力的缺失，本文借助了Self-Attention with Relative Position Representations（2018）的思路，在宽度和高度两个维度分别使用了相对位置编码增强Attention能力。最后，作者用Attention部分得到的信息和CNN部分得到的信息拼接到一起，共同进行后续任务，形成了二者的优势互补。这里简单介绍一下相对位置编码，它是一种替代Transformer中position embedding的方式，对于任意两个位置的元素i和，会将二者的相对位置embedding加入到计算attention的过程中。如果i和j距离为n，就用距离为n对应的一个可学习的embedding表示，同时设定某个阈值，如果i和j的距离超过k，就都用距离k对应的embedding表示。下面的公式左侧代表i和j的相对位置embedding aij怎么用在多头attention中，右侧表明了两个元素相对位置embedding的计算方法。通过引入relative position embedding，在attention模型中也可以实现平移不变性（因为平移后相对位置不变）

Stand-Alone Self-Attention in Vision Models（NIPS 2019）进一步提出完全使用Attention+相对位置embedding代替ResNet中的卷积模块，实现了全Attention的图像模型。与之前工作的差异是，本文提出使用local attention的方式，即类似于卷积，每个像素只和其周围几个像素点进行attention运算，降低了计算开销。图像中实现local attention的模型结构如下图所示。

3. Transformer完全替代CNN阶段

End-to-End Object Detection with Transformers（ECCV 2020，DERT）提出DERT模型，引入Transformer做目标检测任务。本文提出set prediction的方法解决目标检测任务，通过让模型预测N个元素（每个元素表示是否有目标，有目标的话预测目标的类别和位置），其中N大于图像中真正包含的目标，让这预测出来的N个结果和ground truth做一个匹配计算loss。这部分的细节感兴趣的同学可以阅读原文，我们下面主要介绍DERT的模型结构。DERT的目标是输入N个预测结果来和ground truth做匹配，采用了CNN+Transformer Encoder+Transformer Decoder的模型架构。输入图像维度为[3, W, H]，首先利用CNN提取feature map，得到[C, W', H']的高阶表示。然后利用1*1的卷积将第一维进行压缩后，组成可以输入到Transformer模型中的2维序列数据，同时引入每个区块的position embedding和feature map对应进行拼接后输入到Encoder中，输入到Transformer Encoder中的维度为[d, W'*H']。Transformer Encoder的输出会进入到Decoder中，Decoder的输入也为可训练的N个position embedding，对应预测N个目标检测结果。最终N的输出分别进行FFN进行最终结果预测。DERT的模型结构如下图。

Generative Pretraining from Pixels（2020）提出使用GPT在大规模图像样本上进行无监督预训练，生成图像表示用于下游任务。这篇工作采用的方法和GPT在NLP中的应用相似，对图像进行预处理，转换成生成分辨率较低的，然后转换成一维序列，输入到GPT模型中。文中尝试了Autoregressive（单向预测下一个像素点）以及Bert（mask掉部分像素点用上下文信息预测）两种预训练优化目标。使用这种方法预训练得到的图像表示，经过finetune后，在ImageNet上取得了72%的准确率。

AN IMAGE IS WORTH 16X16 WORDS: TRANSFORMERS FOR IMAGE RECOGNITION AT SCALE（ICLR 2021，VIT）提出了VIT模型，完全复用了NLP中Transformer的模型结构解决图像问题。VIT的具体做法是将图像处理成类似NLP中输入token序列的形式，输入到基础的Transformer中，实现图像领域的Transformer使用。具体做法为，将图像划分成多个patch，假设原来图像的维度是[W, H, C]（宽度*高度*channel），那么经过转换后的图像维度为[N, P*P*C]，其中P代表将图像的分成了多少个块，P对应的就是图像转换成的序列的长度。接下来每个patch会使用一个NN网络映射成一个固定维度，输入到后续的Transformer Encoder中。此外，position embedding也使用的是一维的。为了进行图像分类，类似于Bert，在序列起始位置添加了一个用于分类的标识token。文中也提到，使用Transfomer解决图像问题的主要问题在于缺少图像相关的inductive bias，CNN中的平移不变性、二维空间的临近关系等，在Transformer中都无法引入。但是文中通过实验验证，如果在大量充足的数据上进行预训练，VIT仍然能取得不错的效果。同时文中也提到，如果训练数据不充足，VIT的效果会大打折扣

4. CV Transformer的效率和效果优化阶段

在VIT的基础上，出现了一系列从效率、效果等角度的改进方法。Transformer in Transformer（NIPS 2021）提出了TNT模型。该方法的核心思路是，将原来VIT中的patch再进一步细分成sub-patch，将每个patch看成是一个sentence，而patch的进一步细分得到的元素看成是word。首先使用一个Inner Transformer对一个patch内的sub-patch进行表示生成。然后融合patch和sub-patch的信息，使用Outer Transformer在patch粒度进行表示生成。这种方式比较类似于NLP中的word-level和char-level信息的组合，它的本质思路是，将图像分成patch粒度太粗了，由于一个数据集中图像的多样性，如果将patch分解成粒度更细的sub-patch，就能在数据中发现更多相似的sub-patch组，提升模型在数据上的学习能力和泛化性。

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Pyramid Vision Transformer: A Versatile Backbone for Dense Prediction without Convolutions（ICCV 2021，PVT）提出了适用于像素级图像任务的Transformer模型（需要对每个像素点预测一个label）。之前的VIT将图像分成了patch，导致输出的结果分辨率较低，并且Transformer模型的计算开销随着序列长度增长而变大，直接应用像素级别的预测任务会导致计算和内存消耗暴涨。因此VIT还只适用于图像分类任务。为了解决上述问题，本文提出了将Pyramid CNN的思路引入Transformer，通过将初始分辨率调高，并逐层降低分辨率的方式，捕捉更细粒度信息，同时降低运行开销。PVT将模型分成4个阶段，每个阶段模型都会由patch embedding+Transformer组成，区别在于每层输出的分辨率是逐层降低的，从4*4的高分辨率逐渐变成32*32的低分辨率，适用于各种任务。模型结构图以及与VIT的对比如下：

Tokens-to-Token ViT: Training Vision Transformers from Scratch on ImageNet（ICCV 2021）提出了T2T-ViT模型。本文认为ViT之所以无法直接用中等数量数据集训练取得较好效果，是因为ViT对图像进行分patch拼接成序列的处理方法太简单了，模型无法学习到图像的结构信息，并且文中通过比较ViT和CNN中间每层输出的表示也印证了这一点。因此本文提出了新的Tokenize方法，将每一层的输出再还原成一个图像，然后在图像上进行soft split。Soft split指的是有重叠的进行patch划分，这样就建立起了上一层不同patch之间的关系。通过这种方法也使得网络输入序列的长度逐层减小。网络的具体结构如下图：

Swin Transformer: Hierarchical Vision Transformer using Shifted Windows（2021）的思路类似于PVT，也是将图像分成更细的batch，并且逐层合并降低分辨率。Swin Transformer中采用local attention的方式，将patch划分成window，patch间的attention只在window内进行，以提升运行效率。但是这样的问题在于不同window之间的patch无法进行信息交互了。为了解决这个问题，Swin Transformer又提出Shifted Window方法，在不同层采用不同的window配置，如下面这张图，在下一层中会将window位置进行2个patch的横向和纵向偏移，以使得上一层不同window内的patch进行信息交互。

5. 总结

本文通过近2年10篇计算机视觉顶会论文，梳理了Transformer在CN领域的发展历程。我们可以看到，Transformer在CV领域中的应用已经逐渐成熟，后续会有更多相关研究工作，这对计算机视觉、多模态领域都带来了极大的贡献。

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