[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
  
  

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。
  
• 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 。
  

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) $q$ = [$W^q{a}^i$ for $i$ in range(len(a))]
  k: key(to be matched) $k$ = [$W^k{a}^i$ for $i$ in range(len(a))]
  v: value(information to be extracted) $v$ = [$W^v{a}^i$ for $i$ in range(len(a))]
• 第二步：做attention得到$\alpha$（除以根号d是为了获得更稳定的梯度）
  用每个q（$q^i$）去和每个k（$k^j$）做乘法，得到attention（ ${\alpha }^{ij}=\frac{q^i{k}^j}{\sqrt{d}}$）
• 第三步：softmax得到$\hat{\alpha }$
  ${\hat{\alpha }}^{ij}=exp({\alpha }^{ij})/{\sum }_{j}exp({\alpha }^{ij})$
• 第四步：weighted-sum得到b
  $b^i={\sum }_j{\hat{\alpha }}^{ij}{v}^j$
  

（3）并行化计算

• 第一步：得到qkv
  $Q=[q^1,q^2,q^3,q^4]=W^q[a^1,a^2,a^3,a^4]$
• 第二步：做attention得到$\alpha$
  $\alpha =[k^1,k^2,k^3,k^4{]}^T[q^1,q^2,q^3,q^4]=K^{T}Q$
• 第三步：softmax得到$\hat{\alpha }$
  对每一列进行softmax
• 第四步：weighted-sum得到b
  $b=[b^1,b^2,b^3,b^4]=[v^1,v^2,v^3,v^4]\hat{\alpha }=v\hat{\alpha }$
  

（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。
  

• 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。
  

• 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。
  

（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。

• 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

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）
  
• 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
  
• 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。
  
  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。
  
• 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）。
  

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
  

• 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

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：

• 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：

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

1）CNN Backbone+位置编码

输入图像尺寸为$B\times 3\times H\times W$，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$B\times 256\times \frac{H}{32}\times \frac{W}{32}$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$\frac{HW}{32^2}\times B\times 256$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$B\times 2048\times \frac{H}{32}\times \frac{W}{32}$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$B\times 2048\times \frac{H}{32}\times \frac{W}{32}$的特征图进行降维，得到尺寸为$B\times 256\times \frac{H}{32}\times \frac{W}{32}$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$\frac{HW}{32^2}\times B\times 256$的序列。

2）Encoder

• 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

• 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。
  
• 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）

• 如何看待商汤的Deformable DETR？能否取代Faster-RCNN范式？

（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