【论文阅读】TransCAM: Transformer Attention-based CAM Refinement for WSSS

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论文标题：

TransCAM: Transformer Attention-based CAM Refinement for Weakly Supervised Semantic Segmentation

作者信息：

代码地址：

https://github.com/liruiwen/TransCAM

Abstract

大多数现有的WSSS方法都是基于类激活映射（CAM）来生成像素级的伪标签，用于监督训练。但是基于CNN的WSSS方法只是凸出最具有区别性的地方，即CAM部分激活而不是整体对象。作者提出了TransCAM模型，它基于Conforme的backbone结构，利用transformer的attention权重来细化CNN分支的CAM。

Introduction

现有的方法： 基于CNN训练分类网络的激活CAM，然后训练一个完整的监督网络。
现有方法的缺点：主要是部分激活问题，由类模型生成的CAM倾向于突出对象中最具区别性的部分而不是整体（如图1所示）。作者认为这个根本是CNN造成的，它的局部性质的接受阈只捕获小范围的特征依赖性。（就是说CNN还是感受野小了，偏向Local）.
作者的motivation： 和CNN相比，Transformer更加具备整体性，利用多头自注意和多层感知器来捕获远程语义关联。并且Transformer不太注重局部细节信息，这都比较利好WSSS任务。
作者的方法： 使用Conformer作为主干网络（一种结合CNN和Transformer的结构）。原本的Conformer仅仅通过隐形的方式（FCU结构）对transformer分支的注意力权重进行调整，导致WSSS任务表现不佳。作者提出了TransCAM模型，直接利用transformer的注意力权重微调cnn分支生成CAM。另外Transformer也跟CNN类似，低层次block和高层次block各有其特点，具体方法上，作者通过对所有的多头注意力权重值进行平均，进而构建同时embedding低level和高level特征affinity的注意图。

Methodology

3.1. Preliminaries

The Conformer network: 一个由CNN和trasformer组成的双主干网络（主要结构见figure2红色部分），上方是resnet，下方是vit，中间通过FCU模块继进行连接。
Class Activation Map: 常规的CAM方法，计算公式如下：

3.2. CAM Generation from Conformer

先通过CNN的分支，获得初始的CAM，记为$M$。
（作者分析了这种CAM比一般的单backbone的强，因为有transformer分支提供的fcn进行隐形的调节，没有充分利用注意权重的特征亲和信息进行定位。

3.3. Attention Map Generation

首先计算第$l$层transformer block的attention权重，公式如下：

其实就是Q跟K的点集加上softmax(常规attention计算中，除了v的其他部分)，然后在这个基础上，对每个head取平均值，然后再在多个transformer block上也求平均值（浅层block和深层block都一起算）

同时这里剔除transformer中的cls token，因为后面用不到，即：

3.4. Attention-based CAM refinement

利用前面计算的attention权重，对初始的CAM进行refine。利用矩阵的乘法即可：

后面这个操作是reshape，让feature map重塑到相当的尺寸。

3.5 Training and Pseudo Label Generation

模型的分类的logits是由cnn分支和transformer分支共同作用输出的（见figrue2)，即：

模型仅有分类损失函数，计算方法为：

其余设置和常规的WSSS任务一样，给背景手动设置score:

使用argmax获得伪标签：

Experiments

消融实验

一阶段的结果：

二阶段的结果：