[人工智能]DPT: Deformable Patch-based Transformer for Visual Recognition

DPT: Deformable Patch-based Transformer for Visual Recognition
论文：https://arxiv.org/abs/2107.14467
代码：https://github.com/CASIA-IVA-Lab/DPT

目前，Transformer在计算机视觉方面取得了巨大的成功，但是如何在图像中更加有效的分割patch仍然是一个问题。现有的方法通常是将图片分成多个固定大小的patch，然后进行embedding。本文作者指出固定大小的patch有如下两个缺点：

1. 图像中局部结构的破环，如下图(a)所示，固定尺寸(16x16)裁剪patch，很难获取和目标相关的局部目标的完整结构；
2. 图像之间的语义信息的不一致。不同图像中的同一对象可能有不同的几何变化(比例、旋转等)，固定尺寸裁剪patch可能会捕获不同图像中同一个对象的不一致的语义信息。这些固定尺寸的patches可能会破坏语义信息，导致性能下降。
   

为了解决这个问题，作者提出了一个可变形的patch(DePatch)模块，它以数据驱动的方式将图像自适应地分割成具有不同位置(position)和大小(scale)的patch，而不是使用固定patch分割方式。通过这个方法，就可以避免原来方法对语义信息的破坏，很好地保留patch中的语义信息。

预备知识: Vision Transformer

Vision transformer由三部分组成：

1. a patch embedding module
   patch embedding module 将图片分成固定大小和位置的patches，然后分别将patch输入线性层，生成固定维度的一维向量。假设输入的图片或者特征图A$\in R^{H\times W\times C}$，其中H=W，先前的工作是将A分成N个尺寸为$s\times s$（$s=int(H/\sqrt{N})$）的patches，经过线性层后得到向量${z^{(i)}}_{1<=i<=N}$。
   为了更好地解释patches分割过程，作者重新解释patches模块。每个$z^{(i)}$被视为输入图像的一个矩形区域，其中心的点坐标为$(x_{ct}^{(i)},y_{ct}^{(i)})$，因为patch尺寸固定为s，所以其左上角坐标为：$(x_{ct}^{(i)}?s/2,y_{ct}^{(i)}?s/2)$，右下角坐标为：$(x_{ct}^{(i)}+s/2,y_{ct}^{(i)}+s/2)$，小patch中每个点又可以表示为${\hat{a}}_{1<=j<=s\times s}^{(i,j)}$，随后根据公式(1)对patch进行线性处理。
   

2. multi-head self-attention blocks

3. feed-forward multi-layer perceptrons (MLP)

DePatch Module

为了得到自适应的patches，作者在网络里添加两个可学习的参数location 和scale，其中location使用两个偏移量$({\delta }_x,{\delta }_y)$表示初始中心的的偏移量，scale预测patch的高$s_h$，宽$s_w$，根据上述预测的四个参数，我们就可以得到初始patch调整后的左上角和右下角坐标：

如下图所示，作者使用自适应的patches裁剪得到的区域，可以看到，目标物体的局部区域可以完整的被切分下来。

我们根据上述方法得到的patches尺寸各异，且坐标大多为浮点数，而网络需要固定维度，故作者这里在patch内随机选取$k\times k$个点来表示该区域：

使用双线性插值来获取浮点数坐标下的特征值【关于双线性插值为何是公式(8)，可以通过双线性插值的定义推导得到】：

Overall Architecture

作者基于PVT实现了DPT，PVT有四个stage，因此就有四个不同尺度的特征（上图左）。作者将PVT中stage2、stage3、stage4的patch embedding模块换成了DePatch，其他设置保持不变（上图右）。

Experiment

Image Classification

如上表所示，最小的DPT-Tiny获得了77.4%的top-1精度，比相应的baseline PVT模型高出2.3%。DPT-Medium实现了81.9%的top-1精度，甚至优于具有更多参数和计算量的模型，如PVT-Large和DeiT-Base。

Object Detection

上表比较了DPT与PVT、ResNe(X)t的结果。在相似的计算量下，DPTSmall的性能比PVT-Small好2.1% mAP、比Resnet50好6.2% mAP。

Mask-RCNN上的结果相似。DPT-Small模型在1×schedule下，实现了43.1%的box mAP和39.9%的mask mAP，比PVT-Small高出2.7%和2.1%。

在DETR上，DPT-Small实现了37.7%的box mAP，比PVT-Small高3.0%，比ResNet50高5.4%。

参考：

https://mp.weixin.qq.com/s/v5jCTvoRo-OjhWfzL-LP9w