时隔两年，CV大神何恺明最新一作：视觉预训练新范式MAE！大道至简！

Posted 2021-12-14 机器学习算法与Python学习-公众号

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  新智元报道  

CV大神何恺明又出力作！团队提出MAE模型，将NLP领域大获成功的自监督预训练模式用在了计算机视觉任务上，效果拔群，在NLP和CV两大领域间架起了一座更简便的桥梁。

CV大神何恺明又出力作！

这次，何大神让BERT式预训练在CV上也能训的很好。

论文「Masked Autoencoders Are Scalable Vision Learners」证明了 masked autoencoders（MAE） 是一种可扩展的计算机视觉自监督学习方法。

目前，该论文已于11月11日提交在arxiv上。论文地址：https://arxiv.org/abs/2111.06377

论文成果简介

此文最大的贡献，可能是在NLP和CV两大领域之间架起了一座更简便的桥梁。

此前，大名鼎鼎的GPT和BERT已经将大型自然语言处理（NLP）模型的性能提升到了一个新的高度。

直观点讲，就是事先遮住一些文本片段，让AI模型通过自监督学习，通过海量语料库的预训练，逐步掌握上下文语境，把这些被遮住的片段，用尽可能合乎逻辑的方式填回去。

这和我们做「完形填空」的方式有些类似。经过海量数据的学习和训练，AI模型慢慢学会了自己生成自然文本。目前，随着GPT及其后续改进模型的不断进步，生成的自然文本几乎可以乱真。

现在，何恺明的这篇文章把NLP领域已被证明极其有效的方式，用在了计算机视觉（CV）领域，而且模型更简单。

一起先来看下效果：

遮住95%的像素后，仍能还原出物体的轮廓，这居然还能work！

本文提出了一种掩膜自编码器 (MAE)架构，可以作为计算机视觉的可扩展自监督学习器使用，而且效果拔群。

实现方法很简单：先将输入图像的随机部分予以屏蔽（Mask），再重建丢失的像素。

MAE模型结构与实现

本文提出的MAE架构如下：

在预训练期间，大比例的随机的图像块子集（如 75%）被屏蔽掉。编码器用于可见patch的小子集。在编码器之后引入掩码标记，并且完整的编码块和掩码标记集由一个小型解码器处理，该解码器以像素为单位重建原始图像。

预训练后，解码器被丢弃，编码器应用于未损坏的图像以生成识别任务的表示。

MAE 是一种简单的自编码方法，可以在给定部分观察的情况下重建原始信号。由编码器将观察到的信号映射到潜在表示，再由解码器从潜在表示重建原始信号。

与经典的自动编码器不同，MAE采用非对称设计，允许编码器仅对部分观察信号（无掩码标记）进行操作，并采用轻量级解码器从潜在表示和掩码标记中重建完整信号。

掩膜

将图像划分为规则的非重叠patch。对patch的子集进行采样并屏蔽剩余patch。我们的采样策略很简单：均匀分布，简单称为“随机抽样”。

MAE 编码器

编码器仅适用于可见的、未屏蔽的patch。编码器通过添加位置嵌入的线性投影嵌入patch，然后通过一系列 Transformer 块处理结果集。编码器只对整个集合的一小部分（如 25%）进行操作。

被屏蔽的patch会被移除；不使用掩码令牌。这样可以节约计算资源，使用一小部分计算和内存来训练非常大的编码器。

MAE解码器

解码器的输入是完整的令牌集。每个掩码标记代表一个共享的、学习过的向量，表示存在要预测的缺失patch。

解码器仅在预训练期间用于执行图像重建任务。因此，它的设计可以独立于编码器。实验中使用的解码器更加轻量级。通过这种非对称设计，显著减少了预训练时间。

图像目标的重建

MAE 通过预测每个掩码块的像素值来重建输入图像。

解码器输出中的每个元素都是一个表示补丁的像素值向量。解码器的最后一层是线性投影，其输出通道的数量等于补丁中像素值的数量。解码器的输出被重新整形以形成重建的图像。

MAE 预训练实施效率高，实现方式简单，而且不需要任何专门的稀疏操作。

从上图可以看出，随着输入图像被遮住的比例升高，MAE的性能迅速上升，在75%左右达到最佳效果。

性能惊艳：ImageNet-1K最高87.8%

与当前SOTA自监督预训练方法相比，对于 ViT-B 的表现结果都很接近。对于 ViT-L不同方法的结果就存在很大差距，这表明更大模型的挑战是减少过度拟合。

再看最后一列，仅使用ImageNet-1K数据时，ViT-Huge模型的最高精确度为87.8%，这明显超过了所有在ImageNet-21K 预训练的ViT变种模型。

作者总结道，与 BEiT方法相比，MAE更准确、更简单、更高效。

作者介绍

何恺明，本科就读于清华大学，博士毕业于香港中文大学多媒体实验室。

2011年加入微软亚洲研究院（MSRA）工作，主要研究计算机视觉和深度学习。2016年，加入Facebook AI Research（FAIR）担任研究科学家。

2020年1月11日，荣登AI全球最具影响力学者榜单。

参考资料： 

https://arxiv.org/abs/2111.06377

https://www.zhihu.com/question/498364155/answers/updated

https://www.zhihu.com/question/498364155/answer/2219622610

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