ConditionalDetr论文解读+核心源码解读

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前言

 本文主要介绍下ConditionalDetr论文的基本思想以及代码的实现，首先贴上大佬的知乎解读链接，另外，本人只是在其基础上简单介绍下本人看法，远没有作者解读的透彻。（仰望大佬）
 1、知乎解读
 2、代码地址
 3、论文地址
 另外，感兴趣可以看下本人写的关于detr其他文章：
 1、nn.Transformer使用
 2、mmdet解读Detr
 3、DeformableDetr

1、论文介绍

1.1. 研究问题

 本文主要解决Detr收敛速度慢的原因，故作者首先分析导致其收敛慢的可能原因是啥：encoder只涉及图像特征向量提取；decoder中的self-attn只涉及query之间的交互去重；而最有可能发生在cross attn。原始Detr论文中query=content query + object query，而原始论文发现在第二层layer去掉object query基本不掉点，故收敛慢是content query引起的。

1.2. 可视化空间注意力热图

 作者可视化了Detr中decoder交叉注意力的空间注意力热图：(content query+object query) * pk。发现在50epoch时，detr不能很好的预测物体的边界，这就是导致收敛慢原因。
 这里我自己写了一个可视化各个head的空间注意力热图代码，感兴趣可以看看：Detr空间注意力可视化。

1.3.产生的原因

 首先分析原始Detr的交叉注意力计算方式，注意使用的是加法，即cq同时和ck和pk交互容易使得网络产生困惑，故考虑将c和p解耦即可。

1.4. Conditional Cross Attn

 作者采用的策略很简单，解耦即可：

1.5. 结构图

 首先将object query:[N,256]映射成2d的参考点s:[N,2]，之后通过下式子来将s映射成和pk一致的sin编码得到Ps。

在有了Ps之后，作者考虑到cq中蕴含了物体的边界信息，于是将cq经过FFN得到T，和Ps做了点积，得到Pq。

 然后和经过self-attn的cq拼接送入cross-attn即可。

 在最终预测阶段，借助参考点s和预测出偏移量即可。

2、代码讲解

 由于作者代码仅仅改动了Detr的交叉注意力部分，因此，我只介绍改动部分。其余部分可参考：mmdet解读Detr

2.1. 核心代码

#-------------------#
# 对应结构图中FFN
#-------------------#
class MLP(nn.Module):
    """ Very simple multi-layer perceptron (also called FFN)"""

    def __init__(self, input_dim, hidden_dim, output_dim, num_layers):
        super().__init__()
        self.num_layers = num_layers
        h = [hidden_dim] * (num_layers - 1)
        self.layers = nn.ModuleList(nn.Linear(n, k) for n, k in zip([input_dim] + h, h + [output_dim]))

    def forward(self, x):
        for i, layer in enumerate(self.layers):
            x = F.relu(layer(x)) if i < self.num_layers - 1 else layer(x)
        return x
#---------------------------------#
# 将参考点s变成256维度的sincos的编码
#---------------------------------#  
def gen_sineembed_for_position(pos_tensor):
    # n_query, bs, _ = pos_tensor.size()
    # sineembed_tensor = torch.zeros(n_query, bs, 256)
    scale = 2 * math.pi
    dim_t = torch.arange(128, dtype=torch.float32, device=pos_tensor.device)
    dim_t = 10000 ** (2 * (dim_t // 2) / 128)
    x_embed = pos_tensor[:, :, 0] * scale
    y_embed = pos_tensor[:, :, 1] * scale
    pos_x = x_embed[:, :, None] / dim_t
    pos_y = y_embed[:, :, None] / dim_t
    pos_x = torch.stack((pos_x[:, :, 0::2].sin(), pos_x[:, :, 1::2].cos()), dim=3).flatten(2)
    pos_y = torch.stack((pos_y[:, :, 0::2].sin(), pos_y[:, :, 1::2].cos()), dim=3).flatten(2)
    pos = torch.cat((pos_y, pos_x), dim=2)
    return pos

#-------------------#
# pq的生成过程
#-------------------#
class TransformerDecoder(nn.Module):

	def __init__(self, decoder_layer, num_layers, norm=None, return_intermediate=False, d_model=256):
	    super().__init__()
	    self.layers = _get_clones(decoder_layer, num_layers)
	    self.num_layers = num_layers
	    self.norm = norm
	    self.return_intermediate = return_intermediate
	    self.query_scale = MLP(d_model, d_model, d_model, 2)
	    self.ref_point_head = MLP(d_model, d_model, 2, 2)
	    for layer_id in range(num_layers - 1):
	        self.layers[layer_id + 1].ca_qpos_proj = None

	def forward(self, tgt, memory,
	            tgt_mask: Optional[Tensor] = None,
	            memory_mask: Optional[Tensor] = None,
	            tgt_key_padding_mask: Optional[Tensor] = None,
	            memory_key_padding_mask: Optional[Tensor] = None,
	            pos: Optional[Tensor] = None,
	            query_pos: Optional[Tensor] = None):
	    output = tgt
	
	    intermediate = []
	    # 得到映射参考点s：# [num_queries, batch_size, 2]
	    reference_points_before_sigmoid = self.ref_point_head(query_pos)    
	    # 经过sigmoid
	    reference_points = reference_points_before_sigmoid.sigmoid().transpose(0, 1) 	
	    # 开始遍历6次decoder layer
	    for layer_id, layer in enumerate(self.layers):
	    	# 记录参考点s，也即后续box预测时用到
	        obj_center = reference_points[..., :2].transpose(0, 1)      
	        # For the first decoder layer, we do not apply transformation over p_s
	        if layer_id == 0:
	            pos_transformation = 1
	        else:
	        	# 论文中T，将cq经过FFN变换映射
	            pos_transformation = self.query_scale(output)          
	        #将参考点经过sin编码得到ps
	        query_sine_embed = gen_sineembed_for_position(obj_center)    
	        #对应元素相乘得到pq,二者维度[300,2,256]
	        query_sine_embed = query_sine_embed * pos_transformation     
	        # 遍历decoder layer
	        # 拆成多头,每个头均是 content + pos_embed --> (32d+32d)
	        q = q.view(num_queries, bs, self.nhead, n_model//self.nhead)
	        query_sine_embed = self.ca_qpos_sine_proj(query_sine_embed)  
	        query_sine_embed = query_sine_embed.view(num_queries, bs, self.nhead, n_model//self.nhead) 
	        # 将cq和pq进行拼接
	        q = torch.cat([q, query_sine_embed], dim=3).view(num_queries, bs, n_model * 2)
	        k = k.view(hw, bs, self.nhead, n_model//self.nhead)
	        k_pos = k_pos.view(hw, bs, self.nhead, n_model//self.nhead)
	        # 将ck和pk进行拼接
	        k = torch.cat([k, k_pos], dim=3).view(hw, bs, n_model * 2)
			# 送入nn.MultiHeadAttn()模块完成交叉注意力计算
	        tgt2 = self.cross_attn(query=q,
	                                   key=k,
	                                   value=v, attn_mask=memory_mask,
		                                   key_padding_mask=memory_key_padding_mask)[0]   

总结

 本文结构简介思想简单有效，仅仅用了一个解耦策略，训练速度提速10倍。后续会讲解DAB-Detr和DN-Detr，敬请期待。若有问题欢迎+vx：wulele2541612007，拉你进群探讨交流。