变形金刚在图像识别方面比CNN更好吗？

链接到文 — https://arxiv.org/pdf/2010.11929.pdf

一、说明

        如今，在自然语言处理（NLP）任务中，转换器已成为goto架构（例如BERT，GPT-3等）。另一方面，变压器在计算机视觉任务中的使用仍然非常有限。大多数研究人员直接使用卷积层，或者将某些注意力块与卷积块一起添加到计算机视觉应用（如Xception，ResNet，EfficientNet，DenseNet，Inception等）中。关于视觉转换器（ViT）的论文在图像序列上实现了纯变压器模型，而无需卷积块来对图像进行分类。本文展示了ViT如何在各种图像识别数据集上获得比大多数最先进的CNN网络更好的结果，同时使用更少的计算资源。

二、视觉变压器 （ViT）

        转换器是对数据序列进行操作的网络，例如一组单词。这些单词集首先被标记化，然后输入到转换器中。转换器添加 Attention（二次运算 — 计算每对标记化单词之间的成对内积。随着字数的增加，操作数也会增加）。

        因此，图像更难在变形金刚上训练。图像由像素组成，每个图像可以包含数千到数百万个像素。因此，在转换器中，每个像素将与图像中的每个其他像素进行成对操作。在大小为 500*500 像素的图像中，即 500^2，因此注意力机制将花费 （500^2）^2 次操作。这是一项艰巨的任务，即使有多个 GPU。因此，对于图像，研究人员大多使用某种形式的局部注意力（像素聚类），而不是使用全局注意力。

        ViT的作者通过使用全局注意力来解决这个问题，但不是在整个图像上，而是在多个图像补丁上。因此，首先将大图像分成多个小块（例如 16*16 像素）。如图 1 所示。

图1.图像分为多个补丁（来源：原始论文中的图像）

        然后将这些映像修补程序展开为一系列映像，如图 2 所示。这些图像序列具有位置嵌入。

图2.图像补丁展开成一系列图像（来源：原始论文中的图像）

最初，变压器不知道哪个补丁应该去哪里。因此，位置嵌入有助于变压器了解每个补丁应该适合的位置。在论文中，作者使用了简单的编号1，2，3...n，以指定补丁的位置，如图 3 所示。这些不仅仅是数字，而是可学习的向量。也就是说，数字 1 不直接使用，而是存在一个查找表，其中包含表示补丁位置的每个数字的向量。因此，对于第一个补丁，从表中抓取第一个矢量并与补丁一起放入变压器中。同样，对于第二个补丁，从表中抓取第二个矢量并与第二个补丁一起放入变压器中，依此类推。如图 2 所示。

图3.带有位置嵌入的补丁（来源：图片来自原始论文）

图4.位置嵌入作为向量表示（来源：作者创建的图像）

映像修补程序是小映像（16*16 像素）。这在某种程度上需要以一种变压器理解它的方式馈送。一种方法是将图像展开为 16*16 = 256 维向量。然而，该论文的作者使用了线性投影。这意味着有一个矩阵，表示为“E”（嵌入）。获取单个补丁并首先解卷成线性向量。然后将该向量与嵌入矩阵 E 相乘。然后将最终结果与位置嵌入一起馈送到变压器。

然后将所有补丁（线性投影）及其单独的位置嵌入送入变压器编码器。该变压器是标准的变压器架构（您只需要注意 - 纸）。

还有一个额外的可学习嵌入，标记为位置零，如图 5 所示。此嵌入的输出用于最终对整个图像进行分类。

图5.整个ViT架构，带有额外的可学习嵌入 - 用红色标记，最左边的嵌入（来源：原始论文的图片）

三、结果

        表1显示了ViT与各种数据集上最先进的CNN架构的结果比较。ViT是在JFT-300数据集上进行预训练的。下面的结果表明，在所有数据集上，ViT的表现都优于基于ResNet的架构和EfficentNet-L2架构（在嘈杂的学生权重上预训练）。这两种模型都是当前最先进的CNN架构。在表1中，ViT-H指的是ViT-Huge（32层），ViT-L指的是ViT-Large（24层）。ViT-H/L 后面的数字 14 和 16 表示从每个图像创建的补丁大小（14*14 或 16*16）。

该表还显示，与其他 2 个 CNN 模型相比，ViT 需要的计算资源要少得多。

表 1.ViT结果与各种图像数据集上其他CNN架构的比较（来源：原始论文中的表格）

图6显示了变压器在对各种图像进行分类时给予的注意。

图6：从输出标记到输入空间的注意力机制（来源：原始论文图片）

四、结论

4.1 视觉变压器是否会在计算机视觉任务中取代CNN？

        到目前为止，CNN已经在计算机视觉任务中占据主导地位。图像基于这样的想法，即一个像素依赖于其相邻像素，下一个像素依赖于其相邻像素（颜色、亮度、对比度等）。CNN对这个想法的研究，并在图像的补丁上使用过滤器来提取重要的特征和边缘。这有助于模型仅从图像中学习必要的重要特征，而不是图像每个像素的细节。

        但是，如果将整个图像数据馈送到模型中，而不仅仅是过滤器可以提取的部分（或它认为重要的部分），则模型表现更好的机会更高。这正是视觉转换器内部正在发生的事情。这可能是在这种情况下，视觉变压器比大多数CNN型号工作得更好的原因之一。

4.2 但这是否意味着变压器将来将在计算机视觉任务中取代CNN？

        好吧，答案是，不会那么快。就在几天前，EfficientNet V2型号发布，其性能甚至比Vision Transformers更好。这只是意味着，现在我们可以期待来自两种类型（CNN和变形金刚）的新架构将在不久的将来推出更新，更好，更高效的模型。