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[人工智能]一文解释清楚Transformer基础原理、视觉应用、DETR

阅读本文的基础:

  • 需要对【视觉卷积神经网络】比较熟悉。
  • 需要对【目标分类、检测任务】比较熟悉。
  • 需要对【RNN】有了解。

一、发展历史:

(参考:A Survey on Visual Transformer 2020.12.23
参考Cheng He

  • 起源:2017年6月谷歌《Attention is all you need》
  • 检测和分割:DETR(CNN+ Transformer,更简单和更灵活的pipeline)
  • 分类:Vision Transformer(only Transformer:SOTA,减少训练计算资源)
  • 像素级图像补全:Image GPT
  • 车道标记检测:End-to-end Lane Shape Prediction with Transformers
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

二、从上向下的理解Transformer

  • 本章的思路为:1、整体结构简单介绍 => 2、细节 => 3、整体结构详细介绍 => 4、Transformer的示例

1、Transformer整体结构简单介绍

参考 龙心尘

  • Transformer由Encoders和Decoders组成,解决Seq2Seq问题
  • Encoders = 6 × \times × encoder, 这6个encoder结构相同,但不共享参数。
  • Decoders = 6 × \times × decoder, 这6个decoder结构相同,但不共享参数。
    在这里插入图片描述
  • 每个encoder都 = “self-attention” + “feed-forward network”。 self-attention,自注意力,获得上下文信息。feed-forward network,每个位置的单词对应的前馈神经网络都完全一样。(BP层和平常用的FC层的区别,参考:https://www.zhihu.com/question/470674012,感觉就是一个东西)
  • 每个decoder都 = “self-attention” + “attention” + “feed-forward network”。注意力层,用来关注输入句子的相关部分 。
    在这里插入图片描述

2、Transformer中的Self-attention

(参考:李宏毅老师的Transformer视频)
(参考:A Survey on Visual Transformer 2020.12.23

(1)引入

  • 最简单的seq2seq结构就是RNN,缺点是不能并行化
  • 用一维卷积网络做seq2seq,可以平行化,但是缺点是必须叠很多层才能拥有大感受野
  • 利用Self-attention可以做到seq2seq结构,并且并行化,完全替代RNN

(2)self-attention

  • 第一步:提取qkv
    q: query(to match others) q q q = [ W q a i W^qa^i Wqai for i i i in range(len(a))]
    k: key(to be matched) k k k = [ W k a i W^ka^i Wkai for i i i in range(len(a))]
    v: value(information to be extracted) v v v = [ W v a i W^va^i Wvai for i i i in range(len(a))]
  • 第二步:做attention得到 α \alpha α(除以根号d是为了获得更稳定的梯度)
    用每个q( q i q^i qi)去和每个k( k j k^j kj)做乘法,得到attention( α i j = q i k j d \alpha^{ij}=\frac{q^ik^j}{\sqrt{d}} αij=d ?qikj?
  • 第三步:softmax得到 α ^ \hat{\alpha} α^
    α ^ i j = e x p ( α i j ) / ∑ j e x p ( α i j ) \hat{\alpha}^{ij}=exp(\alpha^{ij})/\sum_j{exp(\alpha^{ij})} α^ij=exp(αij)/j?exp(αij)
  • 第四步:weighted-sum得到b
    b i = ∑ j α ^ i j v j b^{i}=\sum_j\hat{\alpha}^{ij}v^j bi=j?α^ijvj
    在这里插入图片描述

(3)并行化计算

  • 第一步:得到qkv
    Q = [ q 1 , q 2 , q 3 , q 4 ] = W q [ a 1 , a 2 , a 3 , a 4 ] Q=[q^1,q^2,q^3,q^4]=W^q[a^1,a^2,a^3,a^4] Q=[q1,q2,q3,q4]=Wq[a1,a2,a3,a4]
  • 第二步:做attention得到 α \alpha α
    α = [ k 1 , k 2 , k 3 , k 4 ] T [ q 1 , q 2 , q 3 , q 4 ] = K T Q \alpha=[k^1,k^2,k^3,k^4]^T[q^1,q^2,q^3,q^4]=K^TQ α=[k1,k2,k3,k4]T[q1,q2,q3,q4]=KTQ
  • 第三步:softmax得到 α ^ \hat{\alpha} α^
    对每一列进行softmax
  • 第四步:weighted-sum得到b
    b = [ b 1 , b 2 , b 3 , b 4 ] = [ v 1 , v 2 , v 3 , v 4 ] α ^ = v α ^ b=[b^1,b^2,b^3,b^4] =[v^1,v^2,v^3,v^4]\hat{\alpha}=v\hat{\alpha} b=[b1,b2,b3,b4]=[v1,v2,v3,v4]α^=vα^
    在这里插入图片描述

(4)Multi-head Self-attention

  • 意义:分为多个head,每个head做不同的工作,比如一个head负责局部,另一个负责全局(不同head is almost the same, except the随机初始化)。head数量是一个可调参数。
    在这里插入图片描述

  • 做法第一步:以2-head Self-attention为例。如图,qkv都分为两支,而左侧的q之和左侧的k做attention,右侧的q之和右侧的k做attention。
    在这里插入图片描述

  • 做法第二步:得到2个b,直接contact起来,如果得到的维度过大,可以直接再乘上一个矩阵降维。
    在这里插入图片描述

(5)位置编码Positional Encoding

  • 缺点:对于一个给定的self-attention层,无论序列以任何顺序输入,得到的输出总是相同的,因为self-attention无法关注到序列的位置信息。
  • 解决方法:Positional Encoding,将位置信息编码到向量e里,再将其原始向量a相加。

在这里插入图片描述

  • 为什么是e和a是相加而不是contact: 李宏毅老师也觉得很奇怪。

3、Transformer整体结构详细介绍

(参考:李宏毅老师的Transformer视频)

(1)整体

在这里插入图片描述
编码器部分同时输入“机器学习”四个中文,并同时得到编码结果。
解码器部分先输出“machine”,然后把“machine”作为解码器的输入,在输出“learning”。

(2)编码器部分

  • Positional Encoding:见上文
  • Multi-Head Attention:见上文
  • Add: 输出和输入相加(残差连接,防止梯度消失)
    在这里插入图片描述
  • Layer Norm
    第一、Layer Norm 一般搭配RNN使用
    第二、Batch Norm 令同一batch中 “所有data” 的同一纬度 的均值为0方差为1
    第三、Layer Norm 令同一data中 “所有纬度” 的 的均值为0方差为1,无Batch的概念
    在这里插入图片描述
  • Feed Forward:直接理解为两层全连接,权重映射+非线性激活+权重映射

(3)解码器部分

解码器部分先输出“machine”,然后把“machine”作为解码器的输入,在输出“learning”。

  • Masked Multi-Head Attention:这一层的输入是已经产生的输出,比如在解码器部分先输出“machine”之后,下一次解码器的输入就是“machine”。(masked的意思是只关注已产生的输出)
  • encoder-decoder attention层:就是解码器中的第二个Multi-Head Attention layer:它的K和V是编码器的,Q是之前层获得的。
    在这里插入图片描述
    解码过程动图

4、示例

(参考:李宏毅老师的Transformer视频)

  • 在不同的语境中,Transformer可以自行关注到重点内容。
    这个动物并没有过马路,因为它太累了:attention把"它"理解为动物。
    这个动物并没有过马路,因为它太宽了:attention把"它"理解为马路。
    在这里插入图片描述
  • multi-head attention 能够自行关注到局部和全局信息。
    下边的更关注局部信息(红色局部很明显),上边更关注长时信息(绿色全局很明显)。
    在这里插入图片描述

5、Transformer的compress与accelerate

(参考:A Survey on Visual Transformer 2020.12.23)(参考:大连理工大学 王栋老师 A Survey on Visual Transformer 导读)

  • 常见:pruning 剪枝,low-rank decomposition 低秩分解, 知识蒸馏,网络量化,精致结构等等
    在这里插入图片描述

  • 手机端要求模型大小要小。

  • 嵌入式端,如自动驾驶,更要求计算速度。

三、用Transformer解决计算机视觉问题

(参考:A Survey on Visual Transformer 2020.12.23)(参考:大连理工大学 王栋老师 A Survey on Visual Transformer 导读)
大部分视觉任务都只是使用了encoder部分,所以和CNN配合使用

1、iGPT(简介)

  • 自监督模型
  • 训练时,扣掉一个点,用周围的点去预测它。这样就会学到一个能理解图像内容的模型,再将这个模型用于特征提取。(类似于学英语,找到一篇文章,随机扣掉一个词,做完形填空,学好了之后去做阅读理解。)
  • 微调时,用交叉熵。
  • 完全照搬NLP中的策略

2、ViT(简介)

参考Cheng He)(参考咫尺小厘米?)(论文

(1)简介:

  • An image is worth 16x16 words
  • 将图像拆分为小块,并提供这些小块的线性嵌入序列作为transformer的输入。
  • 性能优于CNN,计算资源减小4倍(但目前在显卡上计算效率不高);
  • 需要大数据预训练:transformer没有CNN固有的一些先验(平移不变性、局部性),所以在中等数据集不如CNN。
  • ViT在设计时尽可能地遵循原始的transformer。

(2)整体流程:

  • 先把图像分为16x16块
  • 每个块编码为向量,再加上位置编码
  • 输入Transformer
  • 分类层

在这里插入图片描述

3、DETR(详解)

(参考Cheng He
(参考梦里梦到梦?
(参考henaqvmoyi
(参考学无止境
DETR原文
看过的最好的讲解视频

  • 缺点:大目标的检测性能显著提高,但小目标检测性能下降

(1)流程简介:

在这里插入图片描述

  • DETR是将目标检测视为一个集合预测(序列转换)问题。输入一个图像序列,输出为一个位置编码的集合序列。

(2)详细流程:

在这里插入图片描述

可以分为4个部分,backbone,encoder,decoder,后处理。

1)CNN Backbone+位置编码

在这里插入图片描述
输入图像尺寸为 B × 3 × H × W B \times 3 \times H \times W B×3×H×W,分为位置编码和特征提取两个分支

1.a 上边的分支:位置编码
  • MASK编码:因为是固定尺寸输入,所以可能图片中只有一部分是原始图片,其他是padding。需要一个mask区分出原始图片,直接以下采样32倍的尺度绘制mask,与后续对齐。铺平后得到序列形式的Mask
  • 位置编码:将位置信息编码为特征图,得到 B × 256 × H 32 × W 32 B\times 256 \times \frac{H}{32} \times \frac{W}{32} B×256×32H?×32W?的位置信息编码。
  • 序列化: 将长宽两维铺平,对其铺平后得到尺寸为 H W 3 2 2 × B × 256 \frac{HW}{32^2} \times B\times 256 322HW?×B×256的序列。
1.a下边的分支:特征提取
  • CNN特征提取:(CNN去掉全局池化和线性层,下采样倍数为32,最后一层输出维度为2048),得到 尺寸为 B × 2048 × H 32 × W 32 B \times 2048 \times \frac{H}{32} \times \frac{W}{32} B×2048×32H?×32W?的特征图。
  • 特征图降维:使用1x1的卷积对CNN特征提取得到的尺寸为 B × 2048 × H 32 × W 32 B\times 2048 \times \frac{H}{32} \times \frac{W}{32} B×2048×32H?×32W?的特征图进行降维,得到尺寸为 B × 256 × H 32 × W 32 B\times 256 \times \frac{H}{32} \times \frac{W}{32} B×256×32H?×32W?的特征图。
  • 序列化: 将长宽两维铺平,对特征图铺平后得到尺寸为 H W 3 2 2 × B × 256 \frac{HW}{32^2} \times B\times 256 322HW?×B×256的序列。

2)Encoder

在这里插入图片描述

  • 输入:铺平的特征图(特征序列)
  • 过程:特征映射
  • 输出:与输入相同大小的特征序列

3)Decoder

在这里插入图片描述

  • 输入:编码器的输出、object queries。
    (与BERT不同,不做自回归操作,不把输出重新作为输入,只是one-shot)
  • object queries是什么:可以理解为100个提问者,每个提问者关注图像的某一区域,如图所示,第一个object query更关注图像的左侧区域,第二个object query更关注图像的中间和偏下区域。
    在这里插入图片描述
  • object queries输入Decoder之后,Decoder做了什么:object queries作为Q,而编码器的输出作为K和V,这可以理解为,提问者向编码器的输出提问,并且自行决定关注编码器的输出的哪些部分。多次询问,以及提问者之间多次互相讨论之后,会得到预测框的输出。

4)后处理:匈牙利算法

4.a 基于CNN的检测算法的label assignment:

(参考:mileistone

  • Faster RCNN/SSD/RetinaNet(Anchor机制):基于anchor与GT框IOU划分正负样本,允许多个anchor同时对应与某一个真值框
  • YOLOv1(Grid Cell机制,无anchor):每个Grid Cell最多只负责一个object,遍历真值框,为每个真值框选择一个Grid Cell。
  • YOLOv2(Grid Cell机制,有anchor):每个Grid Cell最多只负责一个object,遍历真值框,先为每个真值框选择一个Grid Cell;对于某一个真值框,计算它与它对应的Grid Cell中所有anchor的IOU,选择IOU最大的anchor作为positive;计算它与它对应的Grid Cell中所有proposal的IOU,IoU大于0.6的proposal对应的anchor为ignore。
  • YOLOv3:每个Grid Cell最多只负责一个object,遍历真值框,先为每个真值框选择一个Grid Cell;对于某一个真值框,计算它与Grid Cell中所有anchor的IOU(左上角对齐,不考虑位置),选择IOU最大的anchor作为positive;对于某一个proposal,计算它与它对应的Grid Cell中所有gt的IOU,IoU大的ignore。
  • FCOS(无anchor):对于每一层feature map,将每个坐标映射到原图,与包围它的GT框对应,有包围则为positive,没有则为negative,同时有多个的话取最小的为positive。
  • FreeAnchor:与某一GT的IOU低于0.6的anchor为negative;与某一GT的IOU高的top 50为候选positive,候选positive anchor对应的loss小的则为正式positive;以外的anchor为ignore。
  • AutoAssign:对于每一层feature map,将每个坐标映射到原图,与包围它的GT框对应,并不是直接划分正负样本,而是设定权重,positive的权重通过attention的方式来学,negative的权重通过与所有GT框之间最大的IoU负相关地确定。其余grid cell为negative,没有ignore。
4.b DETR的label assignment:
  • DETR使用的Loss是L1Loss(xywh绝对误差)和GIouLoss。Decoder的输出经过分类器后会得到100个预测框(有些预测框为空),在计算loss之前需要将预测框与GT匹配。DETR使用匈牙利算法实现该过程,简要来说,就是找到一种匹配方案,使loss总和”最小,是一个存粹的匹配问题,没有参数不需要学习。
  • 匈牙利算法的一个简单应用就是任务分配问题:N个人分配N项任务,一个人只能分配一项任务,一项任务只能分配给一个人,将一项任务分配给一个人是需要支付报酬,如何分配任务,保证支付的报酬总数最小。(已知每个人完成每项任务所需要的报酬:NxN的矩阵)。 实现过程可以参考:一点心青

4、Deformable DETR(只言片语)

(1)答案1:

  • Deformable DETR比DETR训练快10x
  • Backbone、 Matcher 和 positional encoding 的实现和 DETR是一样的
  • multi-scale deformable attention
  • DETR 中是直接回归的 bounding box 绝对坐标;Deformable DETR 引入了 reference,回归的是基于 point 坐标的 offset。
  • head 的部分调整了初始化策略,应该对训练也有帮助
  • K=1 的情况本身就相当于在 head 里引入了 Deformable Convolution ,baseline 上来就比 DETR 高了很多

(2)答案2:

  • Deformable DETR之于 DETR,应该相当于 ResNet 之于 AlexNet
  • 对全连接 Transformer 的计算量进行优化,为每个 query 采样 K 个 key-value pair
  • 最大的性能收益,来源于这一方法可以自然地引入多尺度特征。

(3)答案3:

  • self-attention的最大意义是在于建立长距离的相互关系,并且能够避免CNN中存在的归纳偏好问题,
  • 如果仅仅只在self-attention引入局部的attention操作就会失去self-attention建立长距离相互关系的优点
  • deformable attention操作降低self-attention的复杂度,同时保留了self-attention构建长距离相互关系的优点
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