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[人工智能]深度网络架构的设计技巧(三)之ConvNeXt:打破Transformer垄断的纯CNN架构 |
导读:提到“年代”一词,不免让人提前设想当时有如何的大事件或大人物。正当其时的“2020s”年代,从Transformer开始,引爆了一股“咆哮”的热潮,各种框架层出不穷,借用凯明一句话“without bells and whistles”,沉淀下来的实用性如何?本文作者长篇分析设计CNN架构的若干技巧,对照Swin Transformer的设计理念,渐进式“现代化”改造ResNet,取得了良好的效果,对深度网络的设计具有较大的参考价值。 ConvNeXt在与Transformer的较量中,给CNN掰回一局。 目录摘要计算机视觉迎来了一个“咆哮”的2020s年代,它的起点从引入视觉Transformer开始,即ViT,它能快速超过CNN并取得SOTA的识别性能。而原始的ViT架构,在通用的计算机视觉任务上如目标检测和语义分割等面临不少困难。直到具有分层架构的Transformer如Swin Transformer,通过重新引入ConvNet一些设计,它作为一种通用的视觉backbone并在多个视觉任务上取得优良的表现,才让Transformer变得实用。但是,这种混合架构的有效性,在很大程度归功于Transformer的内在优势,而不是卷积固有的归纳偏差(inductive biases)。这篇文章重新审视设计的空间,并测试一个纯CNN网络能取得什么样的上限。作者通过逐渐将一个标准的ResNet模型,不断往ViT的设计中改造,并发现了几个关键的成分导致了性能的差异。作者构造的纯ConvNet系列模型,能够取得超过Swin Transformer的性能,在ImageNet-1K上取得了超过87.8%的Top1精度。
一、引言回顾 2010 年代,这十年以深度学习的巨大进步和影响为标志。主要驱动力是神经网络的复兴,特别是卷积神经网络 (ConvNets)。十年来,视觉识别领域成功地从工程特征转向设计(ConvNet)架构。尽管反向传播训练的卷积网络的发明可以追溯到 1980 年代,直到 2012 年底,我们才看到视觉特征学习的真正潜力。 AlexNet [40] 的引入沉淀了“ImageNet 时刻”[59],开创了计算机视觉的新时代。此后,该领域迅速发展。 VGGNet [64]、Inceptions [68]、ResNe(X)t [28, 87]、DenseNet [36]、MobileNet [34]、EfficientNet [71] 和 RegNet [54] 等代表性 ConvNet 专注于不同方面,如准确性、效率和可扩展性,并推广了许多有用的设计原则。 ConvNets在计算机视觉中的统治地位并非巧合:在许多应用场景中,“滑窗”设计是视觉处理所固有的,尤其是在处理高分辨率图像时。ConvNets有几个内置的归纳偏置,使得它们能够适合各种计算机视觉任务处理。其中最重要的一个是平移不变性,这对于目标检测任务是一种理想的属性。ConNets本质上也是高效的,因为当以滑窗方式处理时,计算是共享的。几十年来,在有限种类的识别任务如数字、人脸、人体中,默认使用ConvNets。进入2010s年代后,基于区域的检测器进一步将ConvNets提升到成为视觉识别系统中基本构造单元的地位。 大约在同一时间,自然语言处理NLP的神经网络设计之旅(the odyssey of network design,奥德赛,漫长而惊险的旅行)走上了一条截然不同的道路,因为Transformers去掉了循环神经网络RNN成为主导的主干网络。尽管语言与视觉领域之间感兴趣点存在差异,但随着视觉转换器(ViT)的引入彻底改变了网络架构设计的格局,这两个领域流惊奇地在2020s汇合了。除了最初的“patchify”层将图像分割成一系列补丁之外,ViT没有引入图像特定的归纳偏置,并只在原始的NLP transformer上做最小的改动。ViT的一个主要关注点是可扩展性的行为上:借助更大的模型和数据集,Transformers可以取得显著超过标准ResNet的性能。这些在图像分类任务上取得的结果是令人鼓舞的,但计算机视觉不仅限于图像分类。如之前所述,过去十年很多计算机视觉任务的解决方法很大程度上取决于滑窗,全卷积的范式。在没有ConvNets归纳偏置的情况下,普通的ViT模型在被用作通用视觉主干时面临许多挑战。最大的挑战是ViT的全局注意力设计,它相对输入尺度大小具有二次方复杂度。这对于ImageNet分类可能是接受的,但难以处理高分辨率的输入。 分层Transformer采用混合方法去弥补这一差距。例如,“滑窗”策略(如局部窗口内的注意力)被重新引入到Transformers中,使得他们的行为与ConvNets相似。Swin Transformer是朝着这个方向发展的里程碑式的工作,它首次证明了Transformer可以用作通用的视觉主干,并在图像分类之外的一系列计算机视觉任务上实现了SOTA的性能。Swin Transformer的成功和迅速采用也解释了一件事:卷积的本质并没有变得无关紧要;反而,它仍然很受欢迎,并从未褪色。 从这个角度来看,Transformers在计算机视觉方面的许多进步都旨在恢复卷积。然而,这些尝试有代价的:滑窗自注意力的朴素实现可能很昂贵;使用循环移位等先进方法,可以优化速度但在系统设计上更加复杂。另一方面,具有讽刺意味的是,ConvNets已经满足了许多所需要的属性,尽管是以一种直接、简洁的方法。ConvNets失去动力的唯一原因是分层的Transformers在许多计算机视觉任务中超过了它们,而性能差异通常是归因于Transformer卓越的可扩展性,其中关键组件是多头注意力。 与过去十年中逐渐改进的ConvNet不同,ViT的采用是箭步改变。在最近的文献中,在比较两者时通常采用系统级比较,如Swin Transformer与ResNet。ConvNets与分层ViT同时具有相似性与差异性:它们都具备了相似的归纳偏置,但在训练过程中和宏观/微观层面的架构设计上存在显著差异。在这篇文中,作者研究了ConvNets和Transformer之间的架构区别,并在比较网络性能时尝试定位混在因子。作者的研究旨在弥合ConvNet在ViT出现前后的差距,并测试纯ConvNet所能达到的极限。 为此,作者从标准的ResNet开始,以一种渐进式的改进过程。作者逐渐将架构“现代化”,朝着分层Transformer如SwinT去构建。该探索由一个关键的问题引导:Transformer中的设计决策如何影响ConvNet的性能?作者发现了几个关键组件导致了该性能的差异。在COCO目标检测与分割,ADE20K语义分割等任务上评估,令人惊讶的是,完全由标准ConvNet模块构建的ConvNeXt,具有相当竞争力。作者希望这些新的观察与讨论能够挑战一些共同的观念,并鼓励人们重新思考CNN在计算机视觉中的重要性。 二、现代化ConvNet:路线图
本章节中,作者提供了ResNet到类似于Transformer的ConvNet的轨迹。作者根据FLOP考虑两种模型大小,一种是ResNet50、Swin-Tiny体,其FLOPs约为4.5G;另一种是ResNet200、Swin-Base体,其FLOPs为15.0G。 在高层次上,作者探索旨在调查和遵循Swin Transformer的不同设计级别,同时保持作为标准ConvNet的简洁性。路线图如上图所示,作者开始的起点是ResNet50模型。作者首先使用训练Transformer的类似训练技术对其进行训练,并与原始的ResNet50相对获得了很大改进的结果。这将是作者的基线工作。然后,作者设计了一系列设计决策,总结为:
上图展示了作者“现代化”网络的每一步的实现过程与步骤。由于网络复杂性与性能密切相关,因此在探索过程中对FLOPs进行了粗略控制,尽管在中间步骤中,FLOPs可能高于或低于参考模型。所有模型都在ImageNet-1K上进行训练与测试。 2.1 训练技巧除了网络架构的设计,训练过程也会影响最终性能。ViT不仅带来了一组新的模块和架构设计决策,而且还为视觉引入了不同的训练技巧,如AdamW优化器。这主要与优化策略相关的超参设置有关。因此,我们探索的第一步就是使用视觉Transformer训练过程来训练基线模型,如ResNet50/200。最近的研究表明,一组现代训练技术可以显著提高ResNet50的性能。在作者的研究中,作者使用了接近Deit和Swin Transformer相近的训练方法。训练ResNet从原始的90个epoch到300个epoch,使用AdamW优化器、数据增强技术如Mixup、Cutmix、RandAugment、Random Erasing等,随机深度、标签平滑等正则化方法。就其本身而言,这种提升的训练方案将ResNet50性能从76.1%提高到78.8%,这意味着传统ConvNet和Transformer之间的很大一部分性能差异可能来自训练技巧。 作者在整个“现代化”过程中使用这种固定超参的训练方法。ResNet50报告的精度是通过三种不同的随机种子进行训练获得的平均值。 2.2 宏观设计作者先从Swin Transformer的宏观设计开始分析。Swin Transformer遵循ConvNet使用多阶段设计,其中每个阶段具有不同的分辨率。有两个有趣的设计因素考虑:阶段计算比例,和“主干细胞”结构。 (1) 改变阶段计算比例。 (2) 将主干Patchify。 2.3 ResNeXt-ify本部分作者尝试采用ResNeXt的思想,它比原始的ResNet取得了更好的FLOPs/Accuracy均衡。核心组件是分组卷积,其中卷积滤波器被分为不同的组。在较高的层面上,ResNeXt的指导原则是“使用更多的组,扩大宽度”。更精确地说,ResNeXt对BottleNeck中的
3
×
3\times
3×卷积采用分组卷积。这显著降低FLOPs,因此扩展了网络宽度以补偿容量损失。 2.4 倒置BottleNeck每个Transformer块的重要设计是它创造了一个倒置的BottleNeck,即MLP块的隐藏维度是输入维度的四倍。有趣的是,Transformer这种设计与ConvNets中使用的扩展比为4的倒置BottleNeck设计有关联。这个想法被MobileNet-v2推广,随后在几个先进的ConvNets网络中获得关注。
作者探索了倒置BottleNeck的设计。比较有意思的是,网络的FLOPs减少到4.6G,但精度从80.5提升到80.6,在ResNet200和Swin-Base中,这一步带来了更大的收益,从81.9增加到82.6,运算量反而减低。 2.5 大核的尺寸在这部分,作者关注大卷积核的行为。ViT最显著的方面之一是它们的非局部注意力,它使每一层都具有全局感受野。虽然过去ConvNets也使用大卷积核,但黄金标准(VGG普及)是堆叠小卷积核( 3 × 3 3\times 3 3×3)的卷积层,在现代GPU上具有高效的硬件实现。尽管Swin Transformer将局部窗口重新引入自注意力模块中,但窗口大小至少为 7 × 7 7 \times 7 7×7,明显大于 3 × 3 3\times 3 3×3的ResNe(X)t等。 (1) 上移DW-CNN层 (2) 扩大卷积核尺寸 通过所有这些准备,采用更大内核的好处是明显的。作者尝试了几个内核大小,包括
3
,
5
,
7
,
9
,
11
{3,5,7,9,11}
3,5,7,9,11。网络的性能从79.9(3×3)增加到80.6(7×7),而网络的FLOPs大致保持不变。此外,作者观察到大核的好处在(7×7)出达到饱和。因此,默认采用核大小为7的卷积层。 2.6 微观设计本节作者在微观尺度上研究其他几个架构差异:这里大部分探索都是在层级完成的,重点关注激活函数和归一化层的选择。 (1) 使用GELU替代ReLU (2) 更少的激活函数 (3) 更少的归一化层 (4) 用LN替代BN 在原始的ResNet中直接用LN替换BN,将导致性能欠佳。随着网络架构和训练技术的修改,作者重新审视了使用LN替代BN的影响。观察到,作者的ConvNet模型使用LN训练没有任何困难;实际上,性能稍好一点,达到了81.5%。因此,作者在每个残差块中采用LN作为归一化。 (5) 单独的下采样层 至此,作者已经完成了第一次“演练”,并发现了 ConvNeXt,一个纯 ConvNet,它在这个计算机制中的 ImageNet-1K 分类性能优于 Swin Transformer。值得注意的是,到目前为止讨论的所有设计选择都改编自ViT。此外,即使在 ConvNet 文献中,这些设计也并不新颖——在过去十年中,它们都是单独研究的,但不是集体研究的。作者提出的 ConvNeXt 模型具有与 Swin Transformer 大致相同的 FLOP、#params.、吞吐量和内存使用,但不需要专门的模块,例如移位窗口注意力或相对位置偏差。 这些发现令人鼓舞,但尚未完全令人信服——迄今为止,作者的探索仅限于小规模,但ViT的可扩展性才是真正让它们与众不同的地方。此外,ConvNet 能否在对象检测和语义分割等下游任务上与 Swin Transformers 竞争的问题是计算机视觉从业者关注的核心问题。在下一节中,作者将在数据和模型大小方面扩展 ConvNeXt 模型,并在一组不同的视觉识别任务上评估它们。 三、实验结果
四、核心代码ConvNeXt 基本构造块
ConvNeXt整体结构:
结论:纯CNN架构,也能取得超过同等规模的Swin Transformer的识别性能。Transformer出色的可扩展性,在该ConvNext上也能体现出来;此外,在下游任务如目标检测、语义分割等,ConvNeXt也能取得出色的性能。这一局与Transformer较量,ConvNeXt为CNN扳回一局。 |
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