浅谈CSwin-Transformers

【GiantPandaCV导语】局部自注意力已经被很多的VIT模型所采用，但是没有考虑过如何使得感受野进一步增长，为了解决这个问题，Cswin提出了使用交叉形状局部attention，同时提出了局部增强位置编码模块，超越了Swin等模型，在多个任务上效果SOTA，本文给出Cswin的详细解读和分析。

论文链接:https://arxiv.org/abs/2107.00652 

论文代码:https://github.com/microsoft/CSWin-Transformer 

知乎专栏: https://www.zhihu.com/people/flyegle

1. 出发点

• 基于global attention的transformer效果虽然好但是计算量太大了。
• 基于local attention的transformer的会限制每个token的感受野的交互，减缓感受野的增长。

2. 怎么做

• 提出了Cross-Shaped Window self-attention机制，可以并行计算水平和竖直方向的self-attention，可以在更小的计算量条件下获得更好的效果。
• 提出了Locally-enhanced Positional Encoding(LePE), 可以更好的处理局部位置信息，并且支持任意形状的输入。

3. 模型结构

模型整体结构如上所示，由token embeeding layer和4个stageblock所堆叠而成，每个stage block后面都会接入一个conv层，用来对featuremap进行下采样。和典型的R50设计类似，每次下采样后，会增加dim的数量，一是为了提升感受野，二是为了增加特征性。下面详解每个部分的构成。

3.1. Convolutional Token Embeeding

顾名思义，用convolution来做embeeding，为了减少计算量，本文直接采用了7x7的卷积核，stride为4的卷积来直接对输入进行embeeding，假设输入为，那么输出为。

3.2. Cross-Shaped Window Self-Attention

尽管有很强的长距离上下文建模能力，但原始的global self-attention的计算复杂度与特征图大小平方(H==W的情况)成正比的。因此，对于以高分辨率特征图为输入的视觉任务，如物体检测和分割，计算成本会非常大。为了缓解这个问题，现有的工作Swin等建议使用local windows self-attention，通过shift窗口来扩大感受野。然而，每个Transformer块内的token依旧是有限的注意区域，需要堆叠更多的block来实现全局感受野。为了更有效地扩大注意力区域和实现全局性的自我注意，有了Cross-shaped Window Self-attention，下面细讲是怎么做的以及代码实现。

看图说话，很简单，假设原始的featuremap为，设置windows的大小为，如果我们希望做行attention，设置为，设置为，那么就可以获得一个的局部窗口，同理，如果我们希望做列attention，设置为，设置为,可以获得一个的窗口。同时，对应的dim一分为2，一部分用于计算行attention，另一部分用于计算列attention，最后在concat起来，实现并行处理。由于transformers在计算attention的时候是采用mutilhead的，为了保持计算量，本文对head一分为2，一部分用于行attention，一部分用于列attention。以行attention为例，公式如下:

其中，窗口大小为, 相比于标准的self-attention，区别在于H，或者W是部分的而不是全部的，如下图所示。

• 标准的self-attention
• (行or列)self-attention
• 自己的思考其实乍一看很像ACNet和RepVGG，只不过他们是全都要，本文的话只要行和列的计算。在Transformers的attention中，Q实际上起指导的作用，K则是用来做token之间的交互，那么对于一个的矩阵，会得到一个的attention map，意义就是在Q的指导下得到的关于K的attention。很多的时候我们会发现这个attention map 高亮的部分往往都是集中于对角线区域以及周围的部分区域，也就是自己attention自己和对自己有用的token。那么我们是不是就可以拆解这两部分，构造两个attention，一个用于自己attn自己，一个用于attn对自己有价值的位置。那么先拆解为表示的是第一个token，得到的atten结果，那么意义就是当前的toke与其他的token之间的相似度。反过来，表示的每个token，同样得到的atten结果，但是意义为每个token指导第一个token的embeeding的变化。两者结合，就是找对自己有用的token。
• Q&A Question: 本文的另一个核心思想是增大感受野，那么怎么才能增大感受野呢?

Answer:  首先明确一点，cross-shaped windows self-attention，并不是基于一个H和W相等的window来做attention的，实际的窗口大小是随着featuremap和滑动步长的改变而变化的。我们知道R50是通过1/32的下采样来获得很大的感受野，cross-shaped也是如此，通过降采样图像大小，同时增加窗口滑动步长, 最终从local-attention 变为 global-attention, 实现扩张感受野。(这里说感受野不准，应该表示为长距离依赖)

3.3. Locally-Enhanced Positional Encoding(LePE)

上图所示，左边为VIT模型的PE，使用的绝对位置编码或者是条件位置编码，只在embeeding的时候与token一起进入transformer，中间的是Swin，CrossFormer等模型的PE，使用相对位置编码偏差，不再和输入的embeeding一起进入transformer，通过引入token图的权重，来和attention一起计算，灵活度更好相对APE效果更好。最后就是本文所提出的LePE，相比于RPE，本文的方法更加直接，直接作用在value上，公式如下:

这里，表示的是Value的位置权重，有。但是直接去计算, 还是有一定程度的计算量，假设对于输入，对其影响大的元素只在他的附近，所以改写公式为:

这样，LePE可以友好地应用于将任意输入分辨率作为输入的下游任务。

3.4. CSWin Transformer Block

CSwin的block很简单，有两个prenorm堆叠而成，一个是做LayerNorm和Cross-shaped window self-attention并接一个shortcut，另一个则是做LayerNorm和MLP，相比于Swin和Twins来说，block的计算量大大的降低了(swin,twins则是有两个attention+两个MLP堆叠一个block)。公式如下:

3.5. Code Review

class LePEAttention(nn.Module):
    def __init__(self, dim, resolution, idx, split_size=7, dim_out=None, num_heads=8, attn_drop=0., proj_drop=0., qk_scale=None):
        super().__init__()
        self.dim = dim
        self.dim_out = dim_out or dim
        self.resolution = resolution
        self.split_size = split_size
        self.num_heads = num_heads
        head_dim = dim // num_heads
        # NOTE scale factor was wrong in my original version, can set manually to be compat with prev weights
        self.scale = qk_scale or head_dim ** -0.5
        if idx == -1:    # global attenton
            H_sp, W_sp = self.resolution, self.resolution
        elif idx == 0:   # row attention 
            H_sp, W_sp = self.resolution, self.split_size
        elif idx == 1:   # column attention
            W_sp, H_sp = self.resolution, self.split_size
        else:
            print ("ERROR MODE", idx)
            exit(0)
        self.H_sp = H_sp
        self.W_sp = W_sp
        stride = 1
        self.get_v = nn.Conv2d(dim, dim, kernel_size=3, stride=1, padding=1,groups=dim)

        self.attn_drop = nn.Dropout(attn_drop)

    def im2cswin(self, x):
        B, N, C = x.shape
        H = W = int(np.sqrt(N))
        # (B, N, C) -> (B, C, N) -> (B, C, H, W)
        x = x.transpose(-2,-1).contiguous().view(B, C, H, W)  
        x = img2windows(x, self.H_sp, self.W_sp)  # (B*(H//h_sp, W//w_sp), h_sp * w_sp, C)
        # (B*(H//h_sp, W//w_sp), h_sp * w_sp, C) -> (B*(H//h_sp, W//w_sp), h_sp*w_sp, h, C//h) -> (B*(H//h_sp, W//w_sp),h, h_sp*w_sp, C//h)
        x = x.reshape(-1, self.H_sp* self.W_sp, self.num_heads, C // self.num_heads).permute(0, 2, 1, 3).contiguous()
        return x

    def get_lepe(self, x, func):
        B, N, C = x.shape
        H = W = int(np.sqrt(N))
        x = x.transpose(-2,-1).contiguous().view(B, C, H, W)

        H_sp, W_sp = self.H_sp, self.W_sp
        x = x.view(B, C, H // H_sp, H_sp, W // W_sp, W_sp)
        x = x.permute(0, 2, 4, 1, 3, 5).contiguous().reshape(-1, C, H_sp, W_sp) ### B', C, H', W'

        lepe = func(x) ### B', C, H', W'   # dw conv

        # (B', C, H', W') -> (B, h, C//h, h_sp * w_sp) -> (B, h, h_sp*w_sp, C//h)
        lepe = lepe.reshape(-1, self.num_heads, C // self.num_heads, H_sp * W_sp).permute(0, 1, 3, 2).contiguous()
        x = x.reshape(-1, self.num_heads, C // self.num_heads, self.H_sp* self.W_sp).permute(0, 1, 3, 2).contiguous()
        return x, lepe

    def forward(self, qkv):
        """
        x: B L C
        """
        q,k,v = qkv[0], qkv[1], qkv[2]

        ### Img2Window
        H = W = self.resolution
        B, L, C = q.shape
        assert L == H * W, "flatten img_tokens has wrong size"
        
        q = self.im2cswin(q)
        k = self.im2cswin(k)
        v, lepe = self.get_lepe(v, self.get_v)

        q = q * self.scale
        attn = (q @ k.transpose(-2, -1))  # B head N C @ B head C N --> B head N N
        attn = nn.functional.softmax(attn, dim=-1, dtype=attn.dtype)
        attn = self.attn_drop(attn)

        x = (attn @ v) + lepe  # B head N N @ B head N C
        # (B, h, N, C//h) --> (B, N, C)
        x = x.transpose(1, 2).reshape(-1, self.H_sp* self.W_sp, C)  

        ### Window2Img
        x = windows2img(x, self.H_sp, self.W_sp, H, W).view(B, -1, C)  # B (H' W') C

        return x

代码很简单，对于滑窗后的处理，都是把外循环并入到了batch的维度了，可以并行处理。因为是按照dim来进行分水平和竖直的， 所以对应的heads也进行相应的分发处理。

4. 实验

4.1. 模型设计

还是按照FLOPs的分布，来设计了四种模型,CSWin-T,CSWin-S,CSWin-B,CSwin-L，这里的FLOPs都是在224x224条件下计算的。

4.2. imagenet结果

224表示的是模型在224x224的输入下，使用imagenet1k的数据来训练得到的结果，384表示的是在384x384上进行微调后的结果，可以看到CSWin取得了比较SOTA的结果。

使用imagenet21k做pretrain后在imagenet1k上微调的结果，可以发现用更多的数据训练出来的模型做pretrain对于所有模型都有提升，cswin无论是224和384尺度训练都取得了SOTA。

4.3. 检测和分割结果

下游任务上，均有着非常sota的表现。

4.4. 消融实验

• 模型结构+trick实验采用的模型是CSWin-T，imagenet上的结果为82.7%。

1. 滑动窗口的步长从每个stage增长改为每个stage固定为1，发现性能下降了0.8个点，说明感受野的大小会影响模型的结果
2. 并行attention改成序列化attention，性能降低了0.3%个点。
3. 模型的设计，从深窄变成矮胖结构，性能下降了0.5%个点，这一点实际上在CNN都已经有过证明了。
4. 卷积获取embeeding改为非重叠切片获取embeeding，性能下降了0.1%个点，说明overlap和非overlap对于token来说意义不大，因为最终也是可以看到全局的。

• attention&position embeeding
• 本文提出的Cross-shaped window self-attention机制，不仅在分类任务上超过之前的attention，同时检测和分割这样的dense任务上效果也非常不错，说明对于感受野的考虑是非常正确的。
• 虽然RPE和LePE在分类的任务上性能类似，但是对于形状变化多的dense任务上，LePE更深一筹。

5. 结论

在本文中，提出了CSWin Transformer。CSWin Transformer的核心设计是CSWin Self-Attention，它通过将多头分成平行组来执行水平和垂直条纹的自我注意。这种多头分组设计可以有效地扩大一个Transformer块内每个token的注意区域。同时，进一步将局部增强的位置编码引入CSWin Transformer，可以更有效的用于下游任务。大量的实验证明了CSWin Transformer的有效性和高效性。

- ＥＮＤ-

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