[人工智能]CAT：Cross Attention in Vision Transformer

写在前面：最近再看transformer系列论文，以此做个记录。
介绍的是CAT：Cross Attention in Vision Transformer
论文地址：CAT：Cross Attention in Vision Transformer
代码地址：https://github.com/linhezheng19/CAT

同期论文如Swin Transformer和Pyramid Vision Transformer都很不错！不过这里只简单介绍CAT。
提出了一种新的注意力机制，称为Cross Attention，它在图像块内而不是整个图像中交替注意以捕获局部信息，并结合Transformer构建为CAT，表现SOTA。性能优于PVT、CrossViT等网络。

对图像进行Tokenization之后，用图像块替换Transformer的word tokens所需的计算量很大（例如ViT），这会成为模型训练和推理的瓶颈。而CAT在图像块内而不是整个图像中交替注意以捕获局部信息，并在单通道特征图划分的图像块之间应用注意力捕获全局信息。

swin transformer中局部信息交互与相邻斑块之间的交互缺乏全局信息交互，因此设计了一个跨块自注意块，有效的保持全局信息交互，同时避免了随着输入分辨率的增加计算量的巨大增加。

Transformer已成功用于视觉任务和NLP任务，然而由于典型的Transformer的输入输出形状一致，很难实现类似CNN网络的层次结构，而这一点在下游任务中是很重要的。

旨在将斑块内的注意力和斑块间的注意力结合起来，通过基本块的叠加建立一个层次网络，可以简单地应用于其他视觉任务。先通过设置Patch=4来缩减图像，且参考ViT中带有Patch嵌入层的Patch处理模式，将通道数增加到C1，然后利用多个CAT层进行不同尺度的特征提取。

由此经过4个stages，我们可以得到F1，F2，F3和F4四个不同比例和尺寸的特征图，与典型的基于CNN的网络一样，可以为其他下游视觉任务提供不同粒度的特征图。
FLOPs计算过程可以看此博客：https://blog.csdn.net/weixin_39778049/article/details/116020969

每个像素点都需要一个通道来表示其特征，如上述公式所示，但图像像素很大，计算量会呈指数增长。受CNN局部特征提取特点的启发，本文将CNN中的局部卷积方法引入到Transformer中，在每个Patch中进行每个像素块的自注意，称为Inner-Patch Sel-Attention（IPSA）。把一个Patch当做一个注意力范围，而不是整张图像，**同时Transformer可以根据输入生成不同的注意力图，这比固定参数的CNN有显著的优势，**这类似于卷积方法中的动态参数。

TNT揭示了像素间的注意力也很重要，IPSA的计算量大小如下：

**Cross-Patch Self-Attention（CPSA）：**IPSA利用金字塔结构添加了像素间的注意力，只是确保一个Patch内部像素之间的相互关系被捕获，**但是整个画面的信息交换也相当关键。**由于每个单通道特征图自然具有全局空间信息，因此提出CPSA，将每个通道特征图分离，将每个通道划分为H/N，W/N个Patch，利用Self-Attention获得整个特征图中的全局信息，这类似与Xception和MobileNet中使用的深度可分离卷积，计算量如下：

结合MobileNet的设计，叠加IPSA和CPSA模块，提取并整合一个Patch中像素间的特征以及一个feature map中Patch间的特征。

相比于Swin中移位窗口的手工设计、实现困难、捕获全局信息能力较差，该窗口是合理的、更容易理解的。

IPSA中采用相对位置编码，CPSA中加入绝对位置编码。

CAB整体结构如下：

并设计了计算复杂度不同的3个模型，分别是CAT-T、CAT-S和CAT-B，配置如下：

图像分类训练主要遵循：Training data-efficient image transformers & distillation through attention.（batch_size为1024）

目标检测：在CoCo 2017上进行mAP的计算实验，batch_size为16，随机深度（Deep networks with stochastic depth）为0.2来避免过拟合。多尺度训练策略，与End-to-end object detection with transformers.和End-to-end object detection with learnable proposals.相同

(其他训练细节和分割实验部分看论文。)
后续看了源代码之后再更新～