视觉Transformer中ReLU替代softmax

共 2934字，需浏览 6分钟

· 2024-04-20

点击上方“小白学视觉”，选择加"星标"或“置顶”

重磅干货，第一时间送达

仅作学术分享，不代表本公众号立场，侵权联系删除

转载于：机器之心

Transformer 架构已经在现代机器学习领域得到了广泛的应用。注意力是 transformer 的一大核心组件，其中包含了一个 softmax，作用是产生 token 的一个概率分布。softmax 有较高的成本，因为其会执行指数计算和对序列长度求和，这会使得并行化难以执行。

Google DeepMind 想到了一个新思路：用某种不一定会输出概率分布的新方法替代 softmax 运算。他们还观察到：在用于视觉 Transformer 时，使用 ReLU 除以序列长度的注意力可以接近或匹敌传统的 softmax 注意力。

论文：https://arxiv.org/abs/2309.08586

这一结果为并行化带来了新方案，因为 ReLU 注意力可以在序列长度维度上并行化，其所需的 gather 运算少于传统的注意力。

方法

注意力

注意力的作用是通过一个两步式流程对 d 维的查询、键和值 {q_i, k_i, v_i} 进行变换。

在第一步，通过下式得到注意力权重：

其中 ϕ 通常是 softmax。

下一步，使用这个注意力权重来计算输出这篇论文探索了使用逐点式计算的方案来替代 ϕ。

ReLU 注意力

DeepMind 观察到，对于 1 式中的 ϕ = softmax，是一个较好的替代方案。他们将使用的注意力称为 ReLU 注意力。

已扩展的逐点式注意力

研究者也通过实验探索了更广泛的选择，其中 α ∈ [0, 1] 且 h ∈ {relu,relu² , gelu,softplus, identity,relu6,sigmoid}。

序列长度扩展

他们还观察到，如果使用一个涉及序列长度 L 的项进行扩展，有助于实现高准确度。之前试图去除 softmax 的研究工作并未使用这种扩展方案。

在目前使用 softmax 注意力设计的 Transformer 中，有，这意味着尽管这不太可能是一个必要条件，但能确保在初始化时的复杂度是，保留此条件可能会减少替换 softmax 时对更改其它超参数的需求。

在初始化的时候，q 和 k 的元素为 O (1)，因此也将为 O (1)。ReLU 这样的激活函数维持在 O (1)，因此需要因子才能使的复杂度为。

实验与结果

主要结果

图 1 说明在 ImageNet-21k 训练方面，ReLU 注意力与 softmax 注意力的扩展趋势相当。X 轴展示了实验所需的内核计算总时间（小时）。ReLU 注意力的一大优势是能在序列长度维度上实现并行化，其所需的 gather 操作比 softmax 注意力更少。

序列长度扩展的效果

图 2 对比了序列长度扩展方法与其它多种替代 softmax 的逐点式方案的结果。具体来说，就是用 relu、relu²、gelu、softplus、identity 等方法替代 softmax。X 轴是 α。Y 轴则是 S/32、S/16 和 S/8 视觉 Transformer 模型的准确度。最佳结果通常是在 α 接近 1 时得到。由于没有明确的最佳非线性，所以他们在主要实验中使用了 ReLU，因为它速度更快。

qk-layernorm 的效果

主要实验中使用了 qk-layernorm，在这其中查询和键会在计算注意力权重前被传递通过 LayerNorm。DeepMind 表示，默认使用 qk-layernorm 的原因是在扩展模型大小时有必要防止不稳定情况发生。图 3 展示了移除 qk-layernorm 的影响。这一结果表明 qk-layernorm 对这些模型的影响不大，但当模型规模变大时，情况可能会不一样。

添加门的效果

先前有移除 softmax 的研究采用了添加一个门控单元的做法，但这种方法无法随序列长度而扩展。具体来说，在门控注意力单元中，会有一个额外的投影产生输出，该输出是在输出投影之前通过逐元素的乘法组合得到的。图 4 探究了门的存在是否可消除对序列长度扩展的需求。总体而言，DeepMind 观察到，不管有没有门，通过序列长度扩展都可以得到最佳准确度。也要注意，对于使用 ReLU 的 S/8 模型，这种门控机制会将实验所需的核心时间增多大约 9.3%。

下载1：OpenCV-Contrib扩展模块中文版教程

在「小白学视觉」公众号后台回复：扩展模块中文教程，即可下载全网第一份OpenCV扩展模块教程中文版，涵盖扩展模块安装、SFM算法、立体视觉、目标跟踪、生物视觉、超分辨率处理等二十多章内容。

下载2：Python视觉实战项目52讲

在「小白学视觉」公众号后台回复：Python视觉实战项目，即可下载包括图像分割、口罩检测、车道线检测、车辆计数、添加眼线、车牌识别、字符识别、情绪检测、文本内容提取、面部识别等31个视觉实战项目，助力快速学校计算机视觉。

下载3：OpenCV实战项目20讲

在「小白学视觉」公众号后台回复：OpenCV实战项目20讲，即可下载含有20个基于OpenCV实现20个实战项目，实现OpenCV学习进阶。

交流群

欢迎加入公众号读者群一起和同行交流，目前有SLAM、三维视觉、传感器、自动驾驶、计算摄影、检测、分割、识别、医学影像、GAN、算法竞赛等微信群（以后会逐渐细分），请扫描下面微信号加群，备注：”昵称+学校/公司+研究方向“，例如：”张三 + 上海交大 + 视觉SLAM“。请按照格式备注，否则不予通过。添加成功后会根据研究方向邀请进入相关微信群。请勿在群内发送广告，否则会请出群，谢谢理解~