【点云深度学习】常见网络模块：transformer中的attention机制
论文原文：Attention is all you need
最近在学习网络的时候发现，许多新论文中的网络设计中仍然沿用了之前经典网络的结构。3D点云领域有一篇热度非常高的网络Deep Closet Point（DCP），其属于Frame-toFrame的结构，其中网络设计部分有提到其中的Transformer 模块：
并且在效果比较时DCP也有两个版本：V1，与V2，区别就是是否加入了Attention模块。该论文作者WangYue也是DGCNN（Dynamic Graph CNN）的作者 ,他就是受到了transformer的影响而设计这样的结构的。
将其中的Transformer 模块结构放大就是这个样子：
而Transformer 结构为：
左边的为Encoder，右边为Decoder。该模型是由谷歌在2017年提出的，最早也是用来解决NLP问题的。如下图：
我们先看简单的图：
输入为法语，输出为英语，将法语单词通过某种法式（embedding）输入到Encoder当中，再通过Decoder输出为英文单词，这是我们直观能感受到的。那么Encoder和Decoder模块是如何设计的呢：
boom，其实这两个模块是由一些列的Encoder和decoder组成的，上图结构为6个，实际上看我们的设计和需求来，但是Encoder和decoder数目需要一样。
我们将模块放大：
可以发现结构上两者都是相似的，而decoder则中间有一层Attention Layer，作用是帮助decoder注意力集中在输入的相关部分。
前面我们提到的将输入单词转化为某种形式（vector）的方法在NLP中称为Embedding算法。可以这么理解：
所以我们实际实现的内容为：
其中z为经过self-attention的结果，是softmax后的结果。具体我们后面会提到。我们来详细说一下这个self-attention部分：
该部分涉及论文中非常重要的部分：Q、K、V，当我们第一眼看到这三个字母时肯定会有些懵逼，其实三者分别代表：Query，Key，Value，即后面的操作实际上是我们在Query和Key来进行一个Match，并结合不同key对应的value值给出一个score，对于得分高的我们就分配更高的attention，这就是注意力机制。
上面的三个矩阵为训练中得到的。
上面式子的值就是我们上面说后面会提到的z值。
该图是对于单个的理解，那么对于多个呢？构成矩阵：
而Z值也可表示为：
是不是一目了然了，这里Q与K相乘可以结合每个元素的点乘来理解，两个向量的点乘表征了两者的相关性，如果为0，则表示两者不相关，越接近于1两者相关程度越高。
其中dk为为输入向量的维度。除以维度是为了保证梯度的稳定性。可以有效的控制梯度消失，假设Q与K都是均值为0方差为1的dk维度矩阵，则相乘的结果为均值为0，方差为根号下dk，故而除以根号下dk。
对于Multi-Head而言就是多个拼接加上线性化的结果：
整个流程可以这么理解：
以下是一个应用实例：
分辨：The animal didn't cross the street because it was too tired”中 it的指代，这对于人类来说很简单但是对于机器就不是这样了，multi-head模型如下：
通过z1，z2的值我们可以得知，animal和tired对于机器来说都会基于较高的attention。
将五层展开，结果如下但是可能就有些难以理解了。
此外还有一个没解决的问题就是语序问题：由同样单词或文字组成的句子语序不同意思会大有不同，这点在网络比较难以实现。所以在进入网络前加入了位置编码部分：
此外，输入和输出为维度也未必相同，此时就需要去padding mask，一般我们是在对应的位置补上负无穷，这样经过softmax值就为0了。
上图的结构中：Add&Normalization可视的表示为：
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本文大部分图片来源于：
The Illustrated Transformer – Jay Alammar – Visualizing machine learning one concept at a time.
非常推荐大家阅读上面的文章，讲的非常好。
此外推荐阅读或观看：
1. Self-Attention和Transformer - machine-learning-notes （这一篇是对推荐文章的解读）
2. Transformer为什么会比CNN好_哔哩哔哩_bilibili