ViT

概括

论文题目：AN IMAGE IS WORTH 16X16 WORDS: TRANSFORMERS FOR IMAGE RECOGNITION AT SCALE

论文地址：https://openreview.net/pdf?id=YicbFdNTTy

作者来自 Google

亮点:

• 一些有趣的特性：
  • CNN 处理不太好但是 ViT 可以处理好的例子：
  • 遮挡
  • 数据分布偏移
  • 加入对抗性的 patch
  • 排列

作者认为：

• 对于 CNN 的依赖是不必要的
• 纯 Transformer 可以做到和 CNN 媲美的结果
• Transformer 需要更少的训练资源，即使如此，也需要 2500 TPUv3 天数。这里说的少，只是跟更耗卡的模型做对比。
• 在 CV 使用 Transformer
  • 难点：
    • 像素点过多，而 maxlength 太短
  • 于是前人提出许多思路，降低 length 长度：
    • 用 ResNet 最后的特征图 \(14 \times 14=196\) 输入 transformer
    • 用局部小窗口或者把图像这个二维的拆成两个一维的向量
    • 没有硬件加速，模型都无法做到太大
  • 大规模还是 ResNet 效果最好
• 于是 ViT 做法：
  • 模型
    • 把一张图片分成很多 patch，每一个 patch 的大小为 16 * 16
    • 由于 224 / 16 = 14，因此共有 14 * 14 个 patch
    • 所以 length 为 14 * 14 = 196
    • 然后把每一个 patch 通过一个 linear embedding，这些再作为输入传给 Transformer
  • 训练
    • 用有监督的方式训练，原因是 cv 还是需要有监督的
  • 有钱
    • 之前有一个思路一样的，但是那个作者没钱
• 一些结果
  • 中型大小数据集上，ViT 比同等大小的 ResNet 要弱几个点，作者认为原因有
    • Transformer 模型缺少一些 CNN 的归纳偏置
      • 局部临近 locality
        • 相邻的图片有相邻的特征
      • 平移等变性 translation equivariance:
        • \(f(g(x)) = g(f(x))\)
        • 即函数顺序变换最后结果也一样。
        • 在 CNN 中，即为相同的物体无论平移到哪里，只要遇到相同的卷积核，那么输出一样。
    • 因此 Transformer 缺少一些 CNN 拥有的前置知识，需要自己从数据里学。
  • 于是作者又在大规模的数据集上学习，效果很好，得到与 ResNet 相近或者更好的结果。

模型

模型介绍

1. 首先给定一张图，然后把这张图打成许多个 patch
2. 然后每个 patch 通过一个线性的投射层得到一个特征。
3. 再通过 Patch + Position Embedding 的方式，把位置编码弄上去。
4. 丢进 TFM enc。
5. 然后拿 [CLS] 最后对应的 representation 丢进一个 MLP Head 里。

图像的维度从 \(224 \times 224 \times 3\)，变成了一个有 196 个有的 \(16 \times 16 \times 3 = 768\) 维度的 patch。

线性投射层是一个全连接层，维度是 \(D \times D = 768 \times 768\).

然后要加上 [CLS] token

最后加上位置编码信息

• 具体是把位置编码编成一张表，每一个位置对应一个向量
• 位置编码，三种效果差不多
  • 作者做了 1D 的位置编码。常规方法。
  • 2D 的做法：假设之前 1D 的位置编码维度是 D，2D 的位置编码横坐标有 \(\frac{D}{2}\) 的维度，纵坐标亦然，然后直接拼在一起。
  • 相对位置编码：两个 patch 之间的距离可以用相对距离来表示

归纳偏置，ViT 比 CNN 少了很多归纳偏置

• CNN 中，局部性和平移等变性在模型每一层都有所体现，因此先验知识贯穿模型始终。
• 而 ViT 中，只有 MLP 这个层有局部性和平移等变性，自注意力层是全局的。

作者还做了一个混合的网络，前面 CNN，后面 TFM

预训练以及更大的图片

图片更大，patch 的个数也变了，于是位置编码也会变。

• 作者直接用了 pytorch 官方自带的 interpolate 函数做 2D 插值。
• 这个插值只能算一个临时解决方案，是 ViT 的局限性。

实验

主要对比 ResNet，ViT，hybrid

下游任务主要是分类

实验结果

、

ImageNet 结果

• 中型大小数据集上，ViT 比同等大小的 ResNet 要弱几个点
• 大型数据集上，ViT 几乎全面超过 ResNet

线性 5-shot 评估

• 没有经过微调
• 结果同上

• 同等预训练计算复杂度下，ViT 比 ResNet 强
• 预训练计算次数小时，混合模型最强
• 数据越来越大时，ViT 越来越强，接近超越混合模型和 ResNet
• ViT 和 ResNet 模型似乎都没有饱和，仍然可以继续往上走