深度學(xué)習(xí)實(shí)戰(zhàn)

前面提到過ViT，但是ViT在數(shù)據(jù)量不夠巨大的情況下是打不過ResNet的。于是ViT的升級(jí)版T2T-ViT橫空出世了，速度更快性能更強(qiáng)。T2T-ViT相比于ViT，參數(shù)量和MACs(Multi-Adds)減少了200%，性能在ImageNet上又有2.5%的提升。T2T-ViT在和ResNet50模型大小差不多的情況下，在ImageNet上達(dá)到了80.7%的準(zhǔn)確率。論文的貢獻(xiàn)：

證明了通過精心設(shè)計(jì)的Transformer-based的網(wǎng)絡(luò)(T2T module and efficient backbone)，是可以打敗CNN-based的模型的，而且不需要在巨型的訓(xùn)練集(如JFT-300M)上預(yù)訓(xùn)練。

提出了一種可以編碼局部信息的結(jié)構(gòu)T2T module，并證明了T2T的有效性。

展示了在設(shè)計(jì)CNNs backbone時(shí)用到的architecture engineering經(jīng)驗(yàn)同樣適用于設(shè)計(jì)Transformer-based的模型，通過大量的實(shí)驗(yàn)證明深且窄(deep-narrow)的網(wǎng)絡(luò)能夠增加feature的豐富性和減少冗余。

Why T2T-ViT?

先來說下ViT[1]，ViT在從頭開始訓(xùn)練(trained from scratch) ImageNet時(shí)，效果甚至比CNN-based的模型還差。這顯然是不能讓人足夠滿意的，文中分析了兩點(diǎn)原因：
（1）由于ViT是采用對(duì)原圖像分塊，然后做Linear Projection得到embedding。但是通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種基于原圖像的簡(jiǎn)單tokenization并沒有很好地學(xué)到圖像的邊緣或者線條這種低級(jí)特征，導(dǎo)致ViT算法的學(xué)習(xí)效率不高，難以訓(xùn)練，因此ViT需要大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練。
（2）在有限的計(jì)算資源和有限的數(shù)據(jù)的情況下，ViT冗余的attention主干網(wǎng)絡(luò)難以學(xué)得豐富的特征。
所以為了克服這些限制，提出了Tokens-To-Token Vision Transformers(T2T-Vit)。為了證明上面的結(jié)論，還做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，可視化了ResNet、ViT和T2T-ViT所學(xué)到的特征的差異。

綠色的框中表示了模型學(xué)到的一些諸如邊緣和線條的low-level structure feature，紅色框則表示模型學(xué)到了不合理的feature map，這些feature或者接近于0，或者是很大的值。從這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)一步證實(shí)，CNN會(huì)從圖像的低級(jí)特征學(xué)起，這個(gè)在生物上是說得通的，但是通過可視化來看，ViT的問題確實(shí)不小，且不看ViT有沒有學(xué)到低級(jí)的特征，后面的網(wǎng)絡(luò)層的feature map甚至出現(xiàn)了異常值，這個(gè)是有可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的預(yù)測(cè)的，同時(shí)反映了ViT的學(xué)習(xí)效率差。 Tokens-to-Token:Progressive Tokenization

為了解決ViT的問題，提出了一種漸進(jìn)的tokenization去整合相鄰的tokens，從tokens到token，這種做法不僅可以對(duì)局部信息的建模還能減小token序列的長(zhǎng)度。整個(gè)T2T的操作分為兩個(gè)部分：重構(gòu)(re-structurization)和軟劃分(soft split)。（1）Re-structurization假設(shè)上一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層的輸出為T，T經(jīng)過Transformer層得到T'，Transformer是包括mutil-head self-attention和MLP的，因此從T到T'可以表示為T' = MLP(MSA(T))，這里MSA表示mutil-head self-attention，MLP表示多層感知機(jī)，上述兩個(gè)操作后面都省略了LN。經(jīng)過Transformer層后輸出也是token的序列，為了重構(gòu)局部的信息，首先把它還原為原來的空間結(jié)構(gòu)，即從一維reshape為二維，記作I。I = Reshape(T')，reshape操作就完成了從一維的向量到二維的重排列。整個(gè)操作可以參見上圖的step1。（2）Soft Split與ViT那種hard split不同，T2T-ViT采用了soft split，說直白點(diǎn)就是不同的分割部分會(huì)有overlapping。I會(huì)被split為多個(gè)patch，然后每個(gè)patch里面的tokens會(huì)拼接成一個(gè)token，也就是這篇論文的題目tokens to token，這個(gè)步驟也是最關(guān)鍵的一個(gè)步驟，因?yàn)檫@個(gè)步驟從圖像中相鄰位置的語(yǔ)義信息聚合到一個(gè)向量里面。同時(shí)這個(gè)步驟會(huì)使tokens序列變短，單個(gè)token的長(zhǎng)度會(huì)變長(zhǎng)，符合CNN-based模型設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)deep-narrow。 T2T module

在T2T模塊中，依次通過Re-structurization和Soft Split操作，會(huì)逐漸使tokens的序列變短。整個(gè)T2T模塊的操作可以表示如下：

由于是soft split所以tokens的序列長(zhǎng)度會(huì)比ViT大很多，MACs和內(nèi)存占用都很大，因此對(duì)于T2T模塊來說，只能減小通道數(shù)，這里的通道數(shù)可以理解為embedding的維度，還使用了Performer[2]來進(jìn)一步減少內(nèi)存的占用。 Backbone

為了增加特征的豐富性和減少冗余，需要探索一個(gè)更有效的backbone。從DenseNet、Wide-ResNets、SENet、ResNeXt和GhostNet尋找設(shè)計(jì)的靈感，最終發(fā)現(xiàn)：（1）在原ViT的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上采用deep-narrow的原則，增加網(wǎng)絡(luò)的深度，減小token的維度，可以在縮小模型參數(shù)量的同時(shí)提升性能。（2）使用SENet[3]中的channel attention對(duì)ViT會(huì)有提升，但是在使用deep-narrow的結(jié)構(gòu)下提升很小。 Architecture

T2T-ViT由T2T module和T2T-ViT backbone組成。PE是position embedding。對(duì)于T2T-ViT-14來說，由14個(gè)transformer layers組成，backbone中的hidden dimensions是384。對(duì)比ViT-B/16，ViT-B/16有12個(gè)transformer layers，hidden dimensions是768，模型大小和MACs是T2T-ViT-14整整三倍。 Experiments

在不使用預(yù)訓(xùn)練時(shí)，T2T-ViT和ViT的對(duì)比，可以看到T2T-ViT真的是完勝ViT啊，不僅模型比你小，精度還比你高。

不僅完勝ViT，ResNet也不在話下，說實(shí)話看到這個(gè)結(jié)果的時(shí)候真的可以說Transformer戰(zhàn)勝了CNN了。 Conclusion

T2T-ViT通過重構(gòu)圖像的結(jié)構(gòu)性信息，克服了ViT的短板，真正意義上擊敗了CNN。通過提出tokens-to-token的process，逐漸聚合周圍的token，增強(qiáng)局部性信息。這篇論文中不僅探索了Transformer-based的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，證明了在Transformer-based模型中deep-narrow要好于shallow-wide，還取得了很好的性能表現(xiàn)。 Reference

[1]A. Dosovitskiy, L. Beyer, A. Kolesnikov, D. Weissenborn, X. Zhai, T. Unterthiner, M. Dehghani, M. Minderer, G. Heigold, S. Gelly, et al. An image is worth 16x16 words: Transformers for image recognition at scale. arXiv preprint arXiv:2010.11929, 2020. [2]K. Choromanski, V. Likhosherstov, D. Dohan, X. Song, A. Gane, T. Sarlos, P. Hawkins, J. Davis, A. Mohiuddin, L. Kaiser, et al. Rethinking attention with performers. arXiv preprint arXiv:2009.14794, 2020. [3]Hu J, Shen L, Sun G. Squeeze-and-excitation networks[C]//Proceedings of the IEEE conference on computer vision and pattern recognition. 2018: 7132-7141.

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