解析 Token to Token Vision Transformer
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2021-03-12 11:06
介绍
Vision Transformer!的提出让我们看到了Transformer模型在图像方向的潜力，但其有一些缺点，如需要超大型数据集（JFT）预训练，才能达到现在CNN的精度。本文分析了ViT的一些不合理之处：
直接将图片分块展开成一维向量不利于对图片结构信息（如边缘，线条）建模 冗余的Attention模块限制了特征表达，并带来运算负担
基于上述两点，本文提出Tokens to Token Transformer，采用类似CNN中卷积划窗的方式，将相邻的tokens局部聚合起来，有助于建模局部特征。另外还设计了一种deep narrow（个人理解是 深+窄 的网络结构）结构，减少了运算量，并获得性能上的提升。
特征可视化分析
本文先分析了Resnet50，Vision Transformer，T2T Transformer的特征可视化。其中绿框标注的是浅层特征，如边缘，线条。红框标注的是一些零值或过大值。
我们先从熟悉的CNN看起，在比较浅的层中，网络学习到的更多是结构信息，比如对这只小狗边缘的刻画。随着层数加深，通道数变深，特征也越来越抽象（conv50我反正是看不出是什么）。
再来看ViT，他每层都能很好的建模全局信息，即使是很深的层当中，也没有所谓非常抽象的东西。但它对结构信息捕捉的很少，（个人认为是没有类似CNN卷积核划窗的操作，导致对局部信息捕捉不够？）。除此之外，在一些特征图出现了极值，如全白和全黑的特征，对于最终预测可能是没有贡献的。
最后看下T2T，通过Token to Token结构（下文会讲），它在浅层的时候也能建模出结构信息，同时也避免了极值的出现。
Token To Token结构
Vision Transformer是将二维图片展平成一维向量（也叫token），然后送入到Transoformer结构里。而T2T为了捕捉局部信息，它将所有的token通过reshape操作，恢复成二维，然后利用一个unfold一个划窗操作，属于一个窗口的tokens，会连接成一个更长的token，然后送入到Transformer中。
这样会逐渐减少token的数量，但随之而来token的长度会增加很多（因为多个tokens连接在一个token），因此后续模型也降低了维度数目，以平衡计算量。
关于Unfold操作
Unfold操作其实就是卷积中用到的img2col方法，将一个卷积窗口的向量，重排成一个列向量。
下面是一段测试代码
import torch
import numpy as np
np_input = np.array([[[[1, 2, 3],
[4, 5, 6],
[7, 8, 9]],
[[10, 11, 12],
[13, 14, 15],
[16, 17, 18]],
[[19, 20, 21],
[22, 23, 24],
[25, 26, 27]],
[[28, 29, 30],
[31, 32, 33],
[34, 35, 36]]]]).astype(np.float32)
torch_input = torch.Tensor(np_input)
unfold = torch.nn.Unfold(kernel_size=2, padding=0, stride=1)
unfolded = unfold(torch_input)
print(unfolded)
# 输出为
tensor([[[ 1., 2., 4., 5.],
[ 2., 3., 5., 6.],
[ 4., 5., 7., 8.],
[ 5., 6., 8., 9.],
[10., 11., 13., 14.],
[11., 12., 14., 15.],
[13., 14., 16., 17.],
[14., 15., 17., 18.],
[19., 20., 22., 23.],
[20., 21., 23., 24.],
[22., 23., 25., 26.],
[23., 24., 26., 27.],
[28., 29., 31., 32.],
[29., 30., 32., 33.],
[31., 32., 34., 35.],
[32., 33., 35., 36.]]])
这是对应的示意图
整体架构
T2T架构如上图所示，先经过2次Tokens to Token操作，最后给token加入用于图像分类的cls token，并给上位置编码（position embedding)，送入到Backbone当中。
Backbone设计探索
现今CNN探索出了很多结构，比如Resnet残差结构，DenseNet密集连接，GhostNet生成冗余特征，SE注意力模块，ResNext多头分组卷积等。作者基于这些思想进行了一系列模型设计，实验，最终结论如下
更深更窄（Deep Narrow）的ViT结构比更浅更宽（Shallow Wide ）的性能更好 DenseNet的密集concat结构均使ViT和T2T-ViT性能下降 SE注意力模块均能提升ViT和T2T-ViT的性能 ResNext结构对于ViT和T2T-ViT的性能提升很微弱 GhostNet结构可以进一步压缩模型大小，但同样会损失一定性能 基于上述实验，作者选择了Deep Narrow的结构形式
代码解读
Token Transformer
class Token_transformer(nn.Module):
def __init__(self, dim, in_dim, num_heads, mlp_ratio=1., qkv_bias=False, qk_scale=None, drop=0., attn_drop=0.,
drop_path=0., act_layer=nn.GELU, norm_layer=nn.LayerNorm):
super().__init__()
self.norm1 = norm_layer(dim)
self.attn = Attention(
dim, in_dim=in_dim, num_heads=num_heads, qkv_bias=qkv_bias, qk_scale=qk_scale, attn_drop=attn_drop, proj_drop=drop)
self.drop_path = DropPath(drop_path) if drop_path > 0. else nn.Identity()
self.norm2 = norm_layer(in_dim)
self.mlp = Mlp(in_features=in_dim, hidden_features=int(in_dim*mlp_ratio), out_features=in_dim, act_layer=act_layer, drop=drop)
def forward(self, x):
x = self.attn(self.norm1(x))
x = x + self.drop_path(self.mlp(self.norm2(x)))
return x
整体结构很简单，输入经过一次LayerNorm，然后输入到Attention多头注意力模块。输出再次经过LayerNorm，最后设置一定比例的Dropout
T2T Module
class T2T_module(nn.Module):
"""
Tokens-to-Token encoding module
"""
def __init__(self, img_size=224, tokens_type='performer', in_chans=3, embed_dim=768, token_dim=64):
super().__init__()
if tokens_type == 'transformer':
print('adopt transformer encoder for tokens-to-token')
self.soft_split0 = nn.Unfold(kernel_size=(7, 7), stride=(4, 4), padding=(2, 2))
self.soft_split1 = nn.Unfold(kernel_size=(3, 3), stride=(2, 2), padding=(1, 1))
self.soft_split2 = nn.Unfold(kernel_size=(3, 3), stride=(2, 2), padding=(1, 1))
self.attention1 = Token_transformer(dim=in_chans * 7 * 7, in_dim=token_dim, num_heads=1, mlp_ratio=1.0)
self.attention2 = Token_transformer(dim=token_dim * 3 * 3, in_dim=token_dim, num_heads=1, mlp_ratio=1.0)
self.project = nn.Linear(token_dim * 3 * 3, embed_dim)
elif tokens_type == 'performer':
...
elif tokens_type == 'convolution': # just for comparison with conolution, not our model
# for this tokens type, you need change forward as three convolution operation
...
self.num_patches = (img_size // (4 * 2 * 2)) * (
img_size // (4 * 2 * 2)) # there are 3 sfot split, stride are 4,2,2 seperately
def forward(self, x):
# step0: soft split
x = self.soft_split0(x).transpose(1, 2)
# iteration1: restricturization/reconstruction
x = self.attention1(x)
B, new_HW, C = x.shape
x = x.transpose(1, 2).reshape(B, C, int(np.sqrt(new_HW)), int(np.sqrt(new_HW)))
# iteration1: soft split
x = self.soft_split1(x).transpose(1, 2)
# iteration2: restricturization/reconstruction
x = self.attention2(x)
B, new_HW, C = x.shape
x = x.transpose(1, 2).reshape(B, C, int(np.sqrt(new_HW)), int(np.sqrt(new_HW)))
# iteration2: soft split
x = self.soft_split2(x).transpose(1, 2)
# final tokens
x = self.project(x)
return x
首先设置三个划窗大小分别为7x7, 3x3, 3x3的Unfold操作，和两个Token Transformer模块。
假设输入数据格式是
在forward中，先进行一次soft_split操作，数据变为
然后进行一次transpose操作，将通道维调整到最后一维度
送入到Attention模块后，再把通道维调整回来
最后reshape成4维数据
再重复上述类似的步骤，最后经过一个全连接层，调整通道数到合适的Embedding dim。
T2T ViT
这是整体结构的代码
class T2T_ViT(nn.Module):
def __init__(self, img_size=224, tokens_type='performer', in_chans=3, num_classes=1000, embed_dim=768, depth=12,
num_heads=12, mlp_ratio=4., qkv_bias=False, qk_scale=None, drop_rate=0., attn_drop_rate=0.,
drop_path_rate=0., norm_layer=nn.LayerNorm):
super().__init__()
self.num_classes = num_classes
self.num_features = self.embed_dim = embed_dim # num_features for consistency with other models
self.tokens_to_token = T2T_module(
img_size=img_size, tokens_type=tokens_type, in_chans=in_chans, embed_dim=embed_dim)
num_patches = self.tokens_to_token.num_patches
self.cls_token = nn.Parameter(torch.zeros(1, 1, embed_dim))
self.pos_embed = nn.Parameter(data=get_sinusoid_encoding(n_position=num_patches + 1, d_hid=embed_dim),
requires_grad=False)
self.pos_drop = nn.Dropout(p=drop_rate)
dpr = [x.item() for x in torch.linspace(0, drop_path_rate, depth)] # stochastic depth decay rule
self.blocks = nn.ModuleList([
Block(
dim=embed_dim, num_heads=num_heads, mlp_ratio=mlp_ratio, qkv_bias=qkv_bias, qk_scale=qk_scale,
drop=drop_rate, attn_drop=attn_drop_rate, drop_path=dpr[i], norm_layer=norm_layer)
for i in range(depth)])
self.norm = norm_layer(embed_dim)
# Classifier head
self.head = nn.Linear(embed_dim, num_classes) if num_classes > 0 else nn.Identity()
trunc_normal_(self.cls_token, std=.02)
self.apply(self._init_weights)
...忽略一些其他的方法
def forward_features(self, x):
B = x.shape[0]
x = self.tokens_to_token(x)
cls_tokens = self.cls_token.expand(B, -1, -1)
x = torch.cat((cls_tokens, x), dim=1)
x = x + self.pos_embed
x = self.pos_drop(x)
for blk in self.blocks:
x = blk(x)
x = self.norm(x)
return x[:, 0]
def forward(self, x):
x = self.forward_features(x)
x = self.head(x)
return x
整个架构是将输入数据通过T2Tmodule，然后设立一个分类的token(cls_tokens)，将其concat到x中，并加入position embedding（这里是用一个可学习参数作为位置编码）。处理好后，输入到一个个叠起来的Transformer Block，最后取第一个token（也就是cls_tokens)，输入到分类层，得到最终结果。
总结
依图科技近期也开源了相关代码 yitu-opensource/ T2T-ViT，大家有兴趣的话可以试验下代码。
个人感觉这篇论文还是偏工程化的，通过分析初版Vision Transformer的缺点，提出T2T结构，并且在BackBone上，以CNN的视角重新探索，将CNN的优点结合起来，最终效果也是十分不错的，期待后续CNN结合Transformer的相关工作。
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