MAE模型介绍

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介绍

模型

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 实验过程

结论

 

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介绍

 Masked Autoencoders Are Scalable Vision Learners

      Facebook Al的kaiming大神等人于2021年十一月提出了一种带自编码器(MAE)，它基于(ViT)架构。他们的方法在imageNet上的表现要好于从零开始训练的VIT。

灵感来源：

       监督学习是训练机器学习模型的传统方法，它在训练时每一个观察到的数据都需要有标注好的标签，如果我们有一种训练机器学习模型的方法不需要收集标签，会怎么样?如果我们从收集的相同数据中提取标签呢?这种类型的学习算法被称为自监督学习。这种方法在自然语言处理中工作得很好。一个例子是BERT，谷歌自2019年以来一直在其搜索引警中使用BERT。不幸的是，对于计算机视觉来说，情况并非如此。

MAE总体想法：

       随机遮住大量的块，然后去重构这些被遮住的像素信息，让它使用一个非对称的编码器和解码器的机制。

非对称：编码器和解码器看到的东西不一样

• 编码器只看到可见块
• 解码器拿到编码器的输出之后，重构 masked patches

非对称的原因：
大量 masked 块，
编码器只看可见块，极大降低计算开销、减少内存消耗 。

关于MAE：

• BERT 的一个 CV 的版本 
• 基于 ViT ，BERT化
• 把整个训练 拓展到没有标号的数据上面
• 通过完型填空来获取图片的一个理解 
• MAE 加速 Transformer 在 CV 上的应用 

模型

 

预训练流程：input --> patches --> masked --> unmasked patches in encoder --> unmasked +                            masked 按位置排列进 decoder --> decoder 重构 masked patches 的像素。

• patches + masked：一张红色鸟图片进来，切成 patches，masked 块 (3/4) 是 灰色的。
• unmasked patches，encoder：没有 masked (1 / 4) 的块 进入 encoder (ViT)，得到每一块的特征（蓝色）。
• encoder 的输出 和 masked tokens 按照在图片中的原始位置排列成一长条向量 （包含位置信息）。
• 长条向量 进入 decoder，解码器尝试重构缺失的像素信息，还原原始图片。 

图片还原：

       虽然细节有一点模糊，钟的指针、车的形状、狗、灯都还原的很好。图片尺寸只有那么高，分辨率有限。图三是Coco数据集，表明在不同的数据集上效果也不错。
 

 实验过程

主要结果：

 

a:解码器的深度，多少个 Transformer 块; end to end fine-tuning 贵一点，但效果好

• 全都 ft，深度和效果关系不大 84.x
• 只调 lin, 深度深一点好

b: 解码器的宽度，每一个 token 表示成一个多长的向量

• 512 比较好

c: 编码器要不要加入被盖住的 masked 块：

• 不加很好，精度高、计算量更少
• 非对称的架构 精度好、性能好

d: 重构的目标

• 每个像素的MSE
• 每个像素的MSE + normalization 均值为0 方差为 1 效果好
• PCA 做一次降维
• dVAE: BEiT 的做法，通过 ViT 把每一个块映射到一个离散的 token，像 BERT 一样的去做预测

e ：怎么样做数据增强

• 什么都不做
• 固定大小的裁剪
• 随机大小的裁剪
• 裁剪 + 颜色变化

MAE 对数据增强不敏感

f ：怎么采样 被盖住的块

• 随机采样 最简单最好
• 按一块块的采样 50 %
• 按一块块的采样 75 %
• 网格采样

训练时间：

 

• ViT-Large + 解码器只使用一层 Transformer 的块：84.8% 精度不错，耗时最少
• 带掩码的块 + 大的解码器，加速 3.7倍
• ViT huge 加速也比较多

绝对时间

128个 TPU v3的 core， tensorflow 实现

训练时间是10个小时 和 大概是一天多，可以忍受

 

图 6 表示的是不同的掩码采样策略的区别

• 随机采样效果好
• 尽量的按照一块一块的来切
• 按照格点来切

 

图 7 ：预训练的轮数和微调的精度的对比 

ImageNet-1K 上训练个 1,000 个数据轮，精度有提升，在一直训练一直学习，过拟合也没那么多严重，因为1,000轮是非常非常多的

• 一般在 ImageNet 上训练， 200轮 enough

 

 

表3：跟前面结果比 MAE 效果是最好的

图8：跟 ViT 里面的结果比

• 最上面的虚线：ViT 在 JFT 3亿标号的图片数据集合的效果
• 排第二的线：只使用 ImageNet-1K 也就是1/300数据的效果
• 两根线很接近，不能说这是一个很公平的比较
• JFT数据集包括的类数远远大于 ImageNet
• 它们很多是一些 顾我自己 care 的一些目标，但是 ImageNet很多都是一些猫猫狗狗的图片
• 测试集也是 ImageNet，JFK 它多了很多很多 可能跟你那些标号不那么一样的图片

把验证集换到一个 不那么跟 ImageNet 相像的数据集上，可能这个差距会大一点。

调编码器所有层的参数和最后一层的参数效果差距大

到底调多少层：

• 少，快，精度差
• 多，慢，精度好

调 4 - 5 层比较好

• 底层不调：底层学到的东西稍微是比较低层次一点，你可以换一个任务也不需要变太多
• 上面那些层，跟你的任务相关，要调

结论

MAE预训练，只使用 ImageNet-1K 100w 无标号数据，ViT-Large/-Huge 达到 ViT 需要 100倍于 ImageNet-1K 的数据 的效果。

迁移学习效果也很好，预训练的模型在 目标检测、实例分割、语义分割 的效果都很好。

和 NLP 类似的效果：

• 在大量的没有标号的数据上，通过自监督学习训练出来模型，迁移学习效果不错。

simple：作者的简单是在 ViT 基础上，MAE 提出来的东西相对简单。

scale well：能跑大数据集。

CV 里 有标号的预训练数据是主流。MAE 在 ImageNet 数据集上，通过自编码器学习到 可以媲美 有标号的 结果。

 

论文： 原文链接

代码：代码链接