【Attention九层塔】注意力机制的九重理解
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2021-09-08 09:43
本文作者：电光幻影炼金术
研究生话题Top1，上海交大计算机第一名，高中物理竞赛一等奖，段子手，上海交大计算机国奖，港中文博士在读
https://zhuanlan.zhihu.com/p/362366192
Attention现在已经火爆了整个AI领域，不管是机器视觉还是自然语言处理，都离不开Attention、transformer或者BERT。下面我效仿EM九层塔，提出Attention九层塔。希望能与大家交流。有更好的想法也欢迎在评论区提出一起讨论。
Attention九层塔——理解Attention的九层境界目录如下:
看山是山——Attention是一种注意力机制
看山看石——数学上看，Attention是一种广泛应用的加权平均
看山看峰——自然语言处理中，Attention is all you need
看山看水——BERT系列大规模无监督学习将Attention推到了新的高度
水转山回——计算机视觉中，Attention是有效的非局域信息融合技术
山高水深——计算机视觉中，Attention will be all you need
山水轮回——结构化数据中，Attention是辅助GNN的利器
山中有山——逻辑可解释性与Attention的关系
山水合一——Attention的多种变种及他们的内在关联
1. Attention是一种注意力机制
顾名思义，attention的本意是生物的注意力机制在人工智能中的应用。注意力机制有什么好处呢？简单地说，可以关注到完成目标场景中所需要的特征。比如说有一系列的特征 
。可能目标场景仅仅需要 
，那么attention可以有效地“注意到”这两个特征，而忽略其他的特征。attention最早出现在了递归神经网络（RNN）中[1]，作者Sukhbaatar举了这样的例子：
上图中，如果我们需要结合（1）到（4）这四句话，根据问题Q回答出正确答案A。可以看到，Q与（3）没有直接的关联，但是我们需要从（3）中得到正确答案bedroom。一个比较自然地想法是，我们引导模型的注意力，从问题开始，从四句话中寻找线索，从而回答问题。
如上图所示，通过问题中的apple，我们转到了第四句话，然后注意力转移到第三句话，确定回答中的bedroom。
到这里，我们应该已经抓住了attention最早的理解，达到了第一层——看山是山。
现在我们的问题是，如何设计这样的模型，以达到这样的效果？
最早的实现是基于显式的存储器，把每一步的结果都存下来，“人工实现”注意力的转移。
还是上面的例子，
如上图所示，通过对存储器的处理，和对注意到的东西的更新，实现attention。这种方法比较简单，但是很hand-crafted，后来已经逐渐废弃了，我们需要升级我们的认知，达到比较抽象层次。
2. Attention是一种加权平均
Attention的经典定义，是来源于Attention is all you need这篇旷世奇作[2]。虽然前面一些工作也发现了类似的技术（如self-attention），但是这篇文章因为提出了“attention就是一切你想要的”这一大胆而逐渐被证实的论断，而享有了载入史册的至高荣耀。这一经典定义，就是下面的公式。
公式含义下面讲，先讲讲意义。这一公式，也基本上是近五年来，科研人员最早接触到的经典定义。这一公式在自然语言处理中的地位，即将接近牛顿定律在经典力学中的地位，已经成为了搭建复杂模型的基本公式。
这个公式看似复杂，但是理解了之后就会发现非常的简单和基本。先讲一下每个字母的含义。字面意思：Q表示query，表示的是K表示key，V表示value， 
是K的维度。这时候就要有人问了，什么是query，什么是key，什么是value？因为这三个概念都是这篇文章引入的，所以说，这篇文章中的公式摆在Q的这个位置的东东就是query，摆在K这个位置的就叫key，摆在V这个位置的就是value。这就是最好的解读。换句话说，这个公式类似于牛顿定律，本身是可以起到定义式的作用的。
为了便于大家理解，我在这里举几个例子解释一下这三个概念。
1、 【搜索领域】在bilibili找视频，key就是bilibili数据库中的关键字序列（比如宅舞、鬼畜、马保国等），query就是你输入的关键字序列，比如马保国、鬼畜，value就是你找到的视频序列。
2、【推荐系统】在淘宝买东西，key就是淘宝数据库中所有的商品信息，query就是你最近关注到的商品信息，比如高跟鞋、紧身裤，value就是推送给你的商品信息。
上面两个例子比较的具体，我们往往在人工智能运用中，key，query，value都是隐变量特征。因此，他们的含义往往不那么显然，我们需要把握的是这种计算结构。
回到公式本身，这个公式本质上就是表示按照关系矩阵进行加权平均。关系矩阵就是 
，而softmax就是把关系矩阵归一化到概率分布，然后按照这个概率分布对V进行重新采样，最终得到新的attention的结果。
下图展示了在NLP中的Attention的具体含义。我们现在考虑一个单词it的特征，那么它的特征将根据别的单词的特征加权得到，比如说可能the animal跟it的关系比较近（因为it指代the animal），所以它们的权值很高，这种权值将影响下一层it的特征。更多有趣的内容请参看 The Annotated Transformer[3]和illustrate self-attention[4]。
看到这里，大概能明白attention的基础模块，就达到了第二层，看山看石。
3. 自然语言处理中，Attention is all you need。
Attention is all you need这篇文章的重要性不只是提出了attention这一概念，更重要的是提出了Transformer这一完全基于attention的结构。完全基于attention意味着不用递归recurrent，也不用卷积convolution，而完全使用attention。下图是attention与recurrent，convolution的计算量对比。
可以看到，attention比recurrent相比，需要的序列操作变成了O(1)，尽管每层的复杂性变大了。这是一个典型的计算机内牺牲空间换时间的想法，由于计算结构的改进（如加约束、共享权重）和硬件的提升，这点空间并不算什么。
convolution也是典型的不需要序列操作的模型，但是其问题在于它是依赖于2D的结构（所以天然适合图像），同时它的计算量仍然是正比于输入的边长的对数的，也就是Ologk(n)。但是attention的好处是最理想情况下可以把计算量降低到O(1)。也就是说，在这里我们其实已经能够看到，attention比convolution确实有更强的潜力。
Transformer的模型放在下面，基本就是attention模块的简单堆叠。由于已经有很多文章讲解其结构，本文在这里就不展开说明了。它在机器翻译等领域上，吊打了其他的模型，展示了其强大的潜力。明白了Transformer，就已经初步摸到了attention的强大，进入了看山看峰的境界。
4. 看山看水——BERT系列大规模无监督学习将Attention推到了新的高度。
BERT[5]的推出，将attention推到了一个全新的层次。BERT创造性地提出在大规模数据集上无监督预训练加目标数据集微调（fine-tune）的方式，采用统一的模型解决大量的不同问题。BERT的效果非常好，在11个自然语言处理的任务上，都取得了非凡的提升。GLUE上提升了7.7%，MultiNLI提升了4.6%，SQuAD v2.0提升了5.1%。
BERT的做法其实非常简单，本质就是大规模预训练。利用大规模数据学习得到其中的语义信息，再把这种语义信息运用到小规模数据集上。BERT的贡献主要是：1）提出了一种双向预训练的方式。（2）证明了可以用一种统一的模型来解决不同的任务，而不用为不同的任务设计不同的网络。（3）在11个自然语言处理任务上取得了提升。
（2）和（3）不需要过多解释。这里解释一下（1）。之前的OpenAI GPT传承了attention is all you need，采用的是单向的attention（下图右），也就是说输出内容只能attention到之前的内容，但是BERT（下图左）采用的是双向的attention。BERT这种简单的设计，使得他大幅度超过了GPT。这也是AI届一个典型的小设计导致大不同的例子。
BERT提出了几个简单的无监督的预训练方式。第一个是Mask LM，就是挡住一句话的一部分，去预测另外一部分。第二个是Next Sentence Prediction (NSP) ，就是预测下一句话是什么。这种简单的预训练使得BERT抓住了一些基本的语义信息和逻辑关系，帮助BERT在下流任务取得了非凡的成就。
理解了BERT是如何一统NLP江湖的，就进入了看山看水的新境界。
5. 水转山回——计算机视觉中，Attention是有效的非局域信息融合技术。
Attention机制对于计算机视觉能不能起到帮助作用呢？回到我们最初的定义，attention本身是一个加权，加权也就意味着可以融合不同的信息。CNN本身有一个缺陷，每次操作只能关注到卷积核附近的信息（local information），不能融合远处的信息（non-local information)。而attention可以把远处的信息也帮忙加权融合进来，起一个辅助作用。基于这个idea的网络，叫做non-local neural networks[6] 。
这篇提出的non-local操作和attention非常像，假设有 
和 
两个点的图像特征，可以计算得到新的特征 
为：
公式里的 
为归一化项，函数f和g可以灵活选择（注意之前讲的attention其实是f和g选了特例的结果）。在论文中，f取得是高斯关系函数，g取得是线性函数。提出的non-local模块被加到了CNN基线方法中，在多个数据集上取得了SOTA结果。
之后还有一些文献提出了其他把CNN和attention结合的方法[7]，都取得了提升效果。看到了这里，也对attention有了新的层次的理解。
6. 山高水深——计算机视觉中，Attention will be all you need。
在NLP中transformer已经一统江湖，那么在计算机视觉中，transformer是否能够一统江湖呢？这个想法本身是non-trivial的，因为语言是序列化的一维信息，而图像天然是二维信息。CNN本身是天然适应图像这样的二维信息的，但transformer适应的是语言这种是一维信息。上一层已经讲了，有很多工作考虑把CNN和attention加以结合，那么能否设计纯transformer的网络做视觉的任务呢？
最近越来越多的文章表明，Transformer能够很好地适应图像数据，有望在视觉届也取得统治地位。
第一篇的应用到的视觉Transformer来自Google，叫Vision Transformer[8]。这篇的名字也很有趣，an image is worth 16x16 words，即一幅图值得16X16个单词。这篇文章的核心想法，就是把一幅图变成16x16的文字，然后再输入Transformer进行编码，之后再用简单的小网络进行下有任务的学习，如下图所示。
Vision transformer主要是把transformer用于图像分类的任务，那么能不能把transformer用于目标检测呢？Facebook提出的模型DETR（detection transformer)给出了肯定的回答[9]。DETR的模型架构也非常简单，如下图所示，输入是一系列提取的图片特征，经过两个transformer，输出一系列object的特征，然后再通过前向网络将物体特征回归到bbox和cls。更详细的介绍可以参看
@陀飞轮
的文章：
在计算机视觉的其他领域，Transformer也在绽放新的活力。目前Transformer替代CNN已经成为一个必然的趋势，也就是说，Attention is all you need将在计算机视觉也成立。看到这里，你将会发现attention山高水深，非常玄妙。
7. 山水轮回——结构化数据中，Attention是辅助GNN的利器。
前面几层我们已经看到，attention在一维数据（比如语言）和二位数据（比如图像）都能有很好的应用，那么对于高维数据（比如图数据），能否有出色的表现呢？
最早地将attention用于图结构的经典文章是Graph Attention Networks（GAT，哦对了这个不能叫做GAN）[10]。图神经网络解决的基本问题是，给定图的结构和节点的特征，如何获取一个图的特征表示，来在下游任务（比如节点分类）中取得好的结果。那么爬到第七层的读者们应该可以想到，attention可以很好的用在这种关系建模上。
GAN的网络结构也并不复杂，即便数学公式有一点点多。直接看下面的图。
每两个节点之间先做一次attention获取一组权重，比如图中的 
表示1和2之间的权重。然后再用这组权重做一个加权平均，再使用leakyRelu做一个激活。最后把多个head的做一个平均或者联结即可。
看懂了原来GAT其实就是attention的一个不难的应用，就进入了第七层，山水轮回。
8.山中有山——逻辑可解释性与Attention的关系
尽管我们已经发现attention非常有用，如何深入理解attention，是一个研究界未解决的问题。甚至进一步说，什么叫做深入理解，都是一个全新的问题。大家想想看，CNN是什么时候提出来的？LeNet也就是98年。CNN我们还没理解的非常好，attention对于我们来说更新了。
我认为，attention是可以有比CNN更好的理解的。为什么？简单一句话，attention这种加权的分析，天然就具有可视化的属性。而可视化是我们理解高维空间的利器。
给两个例子，第一个例子是NLP中的BERT，分析论文显示[11]，学习到的特征有非常强的结构性特征。
还有一个FACEBOOK最近的的工作DINO[12]，下图图右是无监督训练得到的attention map。是不是非常的震惊？
到目前为止，读者已经到了新的境界，山中有山。
9.山水合一——Attention的多种变种及他们的内在关联
就跟CNN可以搭建起非常厉害的检测模型或者更高级的模型一样，attention的最厉害的地方，是它可以作为基本模块搭建起非常复杂的（用来灌水的）模型。
这里简单列举一些attention的变种[13]。首先是全局attention和部分attention。
全局attention就是上面讲的，部分attention主要是还允许某些特征在做attention之前先做融合，再进一步attention。最近爆火的swin transformer就可以看作是把这个变种发扬光大了。
接下来是hard attention和soft attention。
之前我们讲的基本都是soft attention。但是站到采样的角度来讲，我们可以考虑hard attention，把概率当成一个分布，然后再进行多项式采样。这个或许在强化学习里面，有启发性作用。
最近又有一堆觉得MLP也挺强的工作[14]。笔者认为，他们也是参考了attention的模式，采用了不同的结构达到同一种效果。当然，说不定attention最后会落到被MLP吊打的下场。
但是attention的理念，永远不会过时。attention作为最朴素也最强大的数据关系建模基本模块，必将成为每个AI人的基本功。
还有不会过时的是对数据的理解和分析能力。上面介绍了大量的模型，但是真正我们能够求解好某个特定的问题，还得来源于对问题结构的充分认知。这个话题有机会我们再慢慢讨论。
到这里已经到了第九层山水合一的境界。万象归春，所有的模型都只是促进我们对数据的深入认知而已。
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