【视觉论文】VIT - Vision Transformers

论文：AN IMAGE IS WORTH 16X16 WORDS: TRANSFORMERS FOR IMAGE RECOGNITION AT SCALE
链接：https://arxiv.org/abs/2010.11929

很多人博主都写烂了的论文，我到现在才真正翻开论文看，21年的工作，正好是刚毕业那年，恶补起来～

摘要

出发点：因为Transformer计算效率和可扩展性，逐渐在自然语言任务上成为主流，但在视觉领域的应用有限。基本都是与卷积结合使用或者替换卷积网络中的某些组件，并没有从整体上改变网络架构。
方案：Pre-train and transfer
- 实现很简单，按照原文精简表达出来就是：
  we split an image into patches and provide the sequence of linear embeddings of these patches as an input to a Transformer. Image patches are treated the same way as tokens (words) in an NLP application.
- why pre-train：在ImageNet等中等大小的数据集上，效果不如同等大小的ResNet。文中给出解释是 - Transformer缺少CNN固有的inductive biases（such as translation equivariance and locality），在数据不足时泛化性较差。所以模型在14M-300M图像数据集上做了预训练。
- why patchs：一个直观的使用自注意力机制在图像上的方法是，每个像素点之间做attention，但是这样计算复杂度是像素数的二次方，并不能用于真实的输入大小上。
结果：证明了在视觉领域CNN并不是必要的，直接将图像patch序列输入tranformer也可以取得良好的效果，并且在训练阶段可以减少计算资源的消耗。

方法

直接上图，问题点在于如何将图片patch转换为embedding。

模型输入
图像大小H*W*C，H和W分别代表宽和高，C代表通道数。将其flatten为2维N*(P*P*C)，N为切割出的patch数量，每个patch的大小为P*P，patch的数量为N=HW / P^2(即tranformer输入长度)。对于二维patch处理，则是直接flatten并映射到输入向量维度-patch embeddings（原文flatten the patches and map to D dimensions with a trainable linear projection）。
在输入端，还需要拼接一个[CLS]（为了和BERT中的说法对齐，其实本质就是一个可学习的向量），在对应位置的输出端，过一个一层的MLP，得到整个图片表示。
除此之外，还有一个位置编码信息。文中介绍只用了standard learnable 1D position embeddings, 在2D-aware position embeddings未见到收益
模型结构
在结构上就是transformer的堆叠（MSA+MLP），文中给出的细节是，每个模块前都会使用Layernorm (LN)，并且每个模块都会使用残差连接。公式感觉更清楚一些：
分析
Transformer与原始CNN相比缺少归纳偏置的特点（Inductive bias），这是一种先验知识，即提前做好的假设。CNN结构共包括两种归纳偏置，一种是局部性，一种是平移不变性；前者指的是图片上相邻的区域具有相似的特征；先卷积再平移和先平移再卷积结果一致。因此CNN具备很多先验信息，只需要相对少的数据就可以学习一个比较好的模型。

实验

先介绍一些我比较关心的实验结果

为什么增加CLS，而不直接使用average pooling，文中有对应实验结果，两者实际差别不大。
Position embedding对比，位置编码将sum到输入embedding上，假设3x3共9个patch：
- 一维编码：patch编码为1到9
- 二维编码：patch编码为11,12,13,21,22,23,31,32,33，即同时考虑X轴与Y轴的信息，对X和Y Embedding进行concat
- 相对位置编码：为了编码patch之间的空间信息，考虑加入其相对位置距离，对于任意patch之间计算其1维上的相对位置，每个offset作为一个embedding，然后需要一个额外的attention，原有query作为query，相对位置的embedding作为key，然后将attention结果作为bias加入main attention中。
  由实验结果可以看到，出了不加位置编码有比较大的性能损失外，其他位置编码方式差距不大，作者认为这是因为输入是基于patch而非像素，对于编码空间信息不是很重要，并且给予patch的方式使空间关系变得简单。
各种size的ViT模型
主要实验，可以看到在小数据集预训练结果不如resnet

在这里插入图片描述
5. 不同大小的预训练数据集效果对比，卷积的归纳偏差对于较小的数据集很有用，但对于较大的数据集，直接从数据中学习相关模式就足够了。

6. scaling study：ViT uses approximately 2 − 4× less compute to attain the same performance，CNN+Transformer即Hybrid的方法在模型较小时有效果，但是随着模型增大效果消失。
在这里插入图片描述
7. 一些可视化结果