经典transformer视觉模型总结

Vision Transformer 模型

ViT: AN IMAGE IS WORTH 16X16 WORDS: TRANSFORMERS FOR IMAGE RECOGNITION AT SCALE 是 2020 年 Google 团队提出的将 Transformer 应用在图像分类的模型。

ViT 在 Transformer 架构的视觉模型的地位类似 ResNet 模型。因为其模型“简单”且效果好，可扩展性强（scalable，模型越大效果越好），成为了 Transformer 在 CV 领域应用的里程碑著作。

ViT 结构

ViT 算法的整体结构如下图所示。

我们知道在 Transformer 结构中，输入是一个二维的矩阵，矩阵的形状可以表示为 $(N,D)$ ，其中 $N$ 是sequence 的长度，而 $D$ 是 sequence 中每个向量的维度。因此，在 ViT 算法中，首先需要设法将 $H\times W\times C$ 的三维图像转化为 $(N,D)$ 的二维输入。

ViT 的具体实现是：将输入图像 $H\times W\times C$ 切块，每个图像块的维度为 $P^2\times C$，则每个图像包含了 $N=HW/P^2$ 个图像块。将图像块展平，即图像变成了一个 $N\times (P^2\times C)$ 的序列，这里的 $N$ 可视为 sequence 的长度。

但是，每个图像的块的维度是 $P^2\times C$，而 Transformer 结构需要的向量维度是 $D$，不符合要求。因此，我们还需要对图像块进行 Embedding。这里 Embedding 的方式非常简单，只需要对每个图像块 $P^2\times C$ 做一个线性变换，即可将维度压缩为 $D$。

后续 encoder 的操作和原始 Transformer 中完全相同。但是因为对图片分类，因此在输入序列中加入一个特殊的token，该 token 对应的输出即为最后的类别预测。

上述对图像进行分块以及 Embedding 的具体方式如 下图红框所示。

ViT 特点

• ViT 为了满足 Transformer 输入结构的要求，将整幅图像拆分成小图像块，然后把这些小图像块的线性嵌入序列输入到网络。同时，使用了 Class Token 的方式进行分类预测。
• ViT 原论文中最核心的结论是，当拥有足够多的数据进行预训练的时候，ViT 的表现就会超过 CNN，突破transformer 缺少归纳偏置的限制，可以在下游任务中获得较好的迁移效果

Swin Transformer 模型

“Swin Transformer: Hierarchical Vision Transformer using Shifted Window” 是微软亚洲研究院（MSRA）发表在 arXiv 上的论文，文中提出了一种新型的 Transformer 架构，也就是 Swin Transformer。

模型结构

从上图中可以看出，Swin 相较于 ViT 的区别在于：Swim 模型的特征图具有层次性，随着特征层加深，特征图的高和宽逐渐变小（4 倍、8 倍和16 倍下采样）。

最右边两个图为 Swim Transformer 的每个块结构，类似于 ViT 的块结构，其核心修改的地方就是将原本的 MSA变为 W-MSA。

左边展示的为 Swim 模型的整个处理流程为：输入(H, W, 3)维的彩色图片，首先执行 Patch Partition，特征维度变为(W/4, H/4, 48)；接着，连续执行 Stage1、Stage2、Stage3 和 Stage4（注意每个 Stage 下面有个 x2、×6、×n，表示包含 n 个该 Stage），每个 Stage 的结构几乎相同，维度变化也类似，分别将宽和高变为原来的一半，通道变为原来的二倍。其中，Stage1 相较于其他 Stage 不同的是其第一部分为 Linear Embedding，而非 Patch Merging。

W-MSA详解

W-MSA 的全称为 Windows Multi-head Self-Attention，相较于 MSA 而言，引入了 Widnwos 机制。

ViT 网络中的 MSA 通过 Self-Attention 使得每一个像素点都可以和其他的像素点进行内积从而得到所有像素点的信息，从而获得丰富的全局信息。但是每个像素点都需要和其他像素点进行信息交换，计算量巨大，网络的执行效率低下。

而 Swin-T 将 MSA 分个多个固定的 Windows 构成了 W-MSA，每个 Windows 之间的像素点只能与该 Windows 中的其他像素点进行内积从而获得信息，这样便大幅的减小了计算量，提高了网络的运算效率。

CLIP 模型

背景知识

2021 年见证了 vision transformer 的大爆发，随着谷歌提出 ViT 之后，一大批的 vision transformer 的工作席卷计算机视觉任务。除了 vision transformer，另外一个对计算机视觉影响比较大的工作就是 Open AI 在 2021 年1 月份发布的 DALL-E 和 CLIP，这两个都属于结合图像和文本的多模态模型，其中 DALL-E 是基于文本来生成图像的模型，而 CLIP 是用文本作为监督信号来训练可迁移的视觉模型。

CLIP 原理

CLIP 的英文全称是 Contrastive Language-Image Pre-training，即一种基于对比文本-图像对的预训练方法或者模型。CLIP 是一种基于对比学习的多模态模型，与 CV 中的一些对比学习方法如 moco 和 simclr 不同的是，CLIP 的训练数据是文本-图像对：一张图像和它对应的文本描述，这里希望通过对比学习，模型能够学习到文本-图像对的匹配关系。

如下图所示，CLIP 包括两个模型：

• Text Encoder: 用来提取文本的特征，可以采用 NLP 中常用的 text transformer 模型；
• Image Encoder: 用来提取图像的特征，可以采用常用 CNN 模型或者 vision transformer。

Vision Transformer

CLIP 的图像编码器的另一个选择是 ViT，这里的改进主要有两点：

1. 在 patch embedding 和 position embedding 后添加一个 LN;
2. 换了初始化方法。

ViT 共训练了 ViT-B/32，ViT-B/16 以及 ViT-L/14 三个模型。

CLIP 总结

• CLIP 在自然分布漂移上表现鲁棒，但是依然存在域外泛化问题，即如果测试数据集的分布和训练集相差较大，CLIP 会表现较差；
• CLIP 的 zero-shot 在某些数据集上表现较差，如细粒度分类，抽象任务等；
• CLIP 并没有解决深度学习的数据效率低下难题，训练 CLIP 需要大量的数据；

参考资料

1. 浅析Swin transformer模型(通俗易懂版)
2. ViT（Vision Transformer）解析
3. https://paddlepedia.readthedocs.io/en/latest/tutorials/computer_vision/classification/ViT.html