对视觉任务更友好的Transformer，北航团队开源Visformer！

▊ 写在前面

目前，将基于视觉任务的Transformer结构正在快速发展。虽然一些研究人员已经证明了基于Transformer的模型具有良好的数据拟合能力，但仍有越来越多的证据表明这些模型存在过拟合，特别是在训练数据有限的情况下。

本文通过逐步改变模型结构，将基于Transformer的模型逐步过渡到基于卷积的模型。在过渡过程中获得的结果，为提高视觉识别能力提供了有用的信息。
基于这些观察结果，作者提出了一种名为Visformer（Vision-friendly Transformer）的新架构 。在相同的计算复杂度下，Visformer在ImageNet分类精度方面，优于基于Transformer和基于卷积的模型，当模型复杂度较低或训练集较小时，优势变得更加显著。

▊ 1. 论文和代码地址

Visformer: The Vision-friendly Transformer
论文：https://arxiv.org/abs/2104.12533v4

代码：https://github.com/danczs/Visformer

▊ 2. Motivation

在过去的十年里，卷积在视觉识别的深度学习模型中起着核心作用。当源自自然语言处理的Transformer被应用到视觉场景中时，这种情况就开始发生改变。ViT模型表明，一张图像可以被分割成多个patch网格，Transformer直接应用在网格上，每个patch都可以看做是一个视觉单词。

ViT需要大量的训练数据(ImageNet-21K或JFT-300M数据集)，因为Transformer建模了长距离的注意和交互，因此容易发生过拟合。后面也有一些工作基于ViT继续做改进，但是效果依旧不佳，特别是在训练数据有限的情况下。
另一方面，在大量数据训练下，视觉Transformer可以获得比基于卷积的模型更好的性能。也就是说，视觉Transformer具有更高的性能“上限”，而基于卷积的模型性能“下界”更好。上界和下界都是神经网络的重要特性。上界是实现更高性能的潜力，下界使网络在有限数据训练或扩展到不同复杂性时表现更好。
基于对Transformer-based和基于卷积的网络的下界和上界的观察，本文的主要目的是探究差异背后的原因，从而设计出具有较高下界和上界的网络。基于Transformer的网络和基于卷积的网络之间的差距可以在ImageNet上通过两种不同的训练设置来揭示。
第一个是基本设置（base setting） 。它是基于卷积的模型的标准设置，即训练周期更短，数据增强只包含基本的操作，如random-size cropping、 flipping。将此设置下的性能称为基本性能（base performance） 。
另一个设置是精英设置（elite setting） ，它对基于Transformer的模型进行了专门的调整，即训练周期更长，数据增强更强( RandAugment、CutMix等)。将此设置下的性能称为精英性能（elite performance） 。

在本文中，作者以DeiT-S和ResNet-50作为基于Transformer和基于卷积的模型的代表。在不同数量训练数据和训练设置下的两个模型结果如上表所示。可以看出，Deit-S和ResNet-50采用了相近的FLOPs和参数。
然而，在这两种设置下，它们在完整数据上的表现非常不同。Deit-S具有更高的精英性能，但从精英到基础会导致DeiT-S的精度下降10%以上。ResNet-50在基础设置下表现得要好得多，但对精英设置的提升仅为1.3%。这促使作者去研究这些模型之间的区别。
在这两种设置下，可以大致估计模型的下界和上界。作者使用的方法是执行一步一步的过渡操作，以逐步将一个模型变成另一个模型，这样就可以进一步认知这两个网络中的模块和设计的特性。作者将转换的过程分为8个步骤。
具体来说，从DeiT-S到ResNet-50，应
(i)使用全局平均池化 （非分类token）

(ii)引入逐步的patch embedding

(iii)采用多阶段 的主干网络设计

(iv)使用Batch Norm （非Layer Norm）

(v)利用3×3卷积

(vi)放弃position encoding 方案

(vii)用卷积替换Self-Attention

(viii)调整网络形状 （如深度、宽度等）

在深入分析了结果背后的原因后，作者采用了所有有助于视觉识别的因素，并提出Visformer（Vision-friendly Transformer）。
如上表所示，在ImageNet分类评估上，Visformer比DeiT和ResNet的性能更好。在精英设置下，在类似的模型复杂度下，Visformer-S模型分别比DeiT-S和ResNet-50高出2.12%和3.46%。
当使用10%的类和数据训练时，Visformer-S甚至表现优于ResNet-50，这揭示了Visformer-S的高性能下界。此外，对于tiny模型，Visformer-ti的性能超过Deit-Ti 6%以上。

▊ 3. 方法

3.1. 基于Transformer和基于卷积的视觉识别模型
识别是计算机视觉中的基本任务。本文主要考虑图像分类，其中输入图像通过深度网络传播，得到输出类标签。大多数深度网络都是以分层的方式设计的。

在本文中，作者考虑了两种结构：Transformer和卷积。卷积用于捕获可重复的局部特征，它使用许多可学习的卷积核来计算输入对不同模式的响应。在本文中，作者将研究限制在残差块（卷积+残差）内，并在相邻的卷积层之间插入非线函数（激活函数、normalization）。
另一方面，Transformer起源于自然语言处理，其目的是捕获任何两个token之间的关系，即使它们彼此相距很远。这是通过为每个token生成三个特征来实现的，分别称为query、key和value。
然后，将每个token的响应计算为所有value的加权和，其中权重由其query与相应key之间的相似性决定。这个操作被称为多头自注意(MHSA)。Transformer Block中还包含其他操作，包括归一化和线性映射。
在本文中，作者考虑DeiT-S和ResNet-50分别作为基于Transformer和基于卷积的模型的代表。除了基础架构之外，这两个网络在设计上也有一些不同，比如ResNet-50有一些向下采样层，将模型划分为多个阶段，但在整个DeiT-S中，token的数量保持不变。
3.2.基础（base）和精英（elite）设置
虽然DeiT-S的准确率为80.1%，高于ResNet-50的78.7%，但我们可以注意到DeiT-S显著改变了训练策略，例如，训练周期的数量增加了3×以上，数据增强变得更强。

有趣的是，DeiT-S似乎严重依赖于精心调整的训练策略，其他基于Transformer的模型，包括ViT和PIT，也说明了它们对其他因素的依赖性，例如，大规模的训练集。接下来，作者对这一现象进行了全面的研究。
作者在ImageNet数据集上评估了所有的分类模型，该数据集有1K类、1.28万训练图像和50K测试图像。每个类的训练图像的数量大致相同。
对每个识别模型的优化都有两个设置。
第一个为基础设置 ，并被基于卷积的网络广泛采用。使用SGD优化器进行90个epoch的训练。batch大小为512的学习速率从0.2开始，然后随着余弦退火函数逐渐衰减到0.00001。采用随机裁剪和翻转等简单的数据增强策略。
第二种为精英设置 ，它已被验证可以有效地改进基于Transformer的模型。batch大小为512，优化器为初始学习率为0.0005的Adamw优化器。为了避免过拟合，采用了更强的数据增强策略：Mixup、Mixup、 Random Erasing、Repeated Augmentation等等。相应地，训练持续300个epoch，比基础设置的时间要长得多。
模型在这两个设置下得到的分类精度分别称为基础性能 和精英性能 。
3.3.从DeiT-S到ResNet-50的过渡

本节显示了从DeiT-S到ResNet-50转换的分解过程，共有八个步骤。关键步骤如上图所示。

分解过程中得到的网络性能如上表所示。

3.3.1使用全局平均池化来替换分类token
转换的第一步是删除分类token，并向基于Transformer的模型添加全局平均池化。与基于卷积的模型不同，Transformer通常会在输入中添加一个分类token，并利用相应的输出token来执行分类。相比之下，基于卷积的模型通过空间维度的全局平均池化获得分类特征。

通过删除分类token，Transformer可以等价地转换为卷积版本。patch embedding操作等价于其卷积核大小和步长是patch大小的卷积。MHSA和MLP块中的线性层等价于1×1卷积。（如上图所示）
通过这些操作得到Net1，这个结构的performance如上表所示。可以看出，这种转变可以极大地提高基础性能。作者进一步的实验表明，添加全局池化本身可以将基础性能从64.17%提高到69.44%。此外，这种转变可以略微提高精英性能。

3.3.2用 step-wise patch embedding替换patch flattening
DeiT和ViT模型直接用patch embedding层对图像进行编码，这相当于核大小和步幅等于patch size的卷积。然而，patch flatten操作会损害每个patch内的位置信息，使得提取patch内的信息变得更加困难。为了解决这一问题，现有的方法通常在patch embedding之前附加一个预处理模块。这个预处理模块可以使用卷积网络或者Transformer。

作者采用有一个相当简单的解决方案，即将大patch embedding分解为逐步的小patch embedding。具体来说，作者首先将ResNet中的stem层添加到Transformer上，这是一个7×7的卷积层，步幅为2。
由于原始DeiT模型中的patch大小为16，所以还需要在stem层后embed 8×8的patch。作者将8 × 8 patch embedding分成了4 × 4 embedding和 2 × 2 embedding，由4×4和2×2的卷积层实现。
此外，作者还添加了一个额外的2×2卷积，以便在分类前进一步将patch大小从16×16进一步升级到32×32。这些patch embedding层也可以看作是下采样层，在每次下采样的时候，作者将通道数增加了一倍。
通过利用step-wise patch embedding，patch内的先验位置被编码到特征中。从上表可以看出，Net2可以显著提高网络的基础性能和精英性能。这表明，在基于Transformer的模型中，step-wise patch embedding是比更大的patch embedding更好的选择。此外，这种转换具有计算效率，只引入了大约4%的额外FLOPs。

3.3.3多阶段设计
在本节中，作者将网络分成了多阶段。同一阶段的block具有相同的特征分辨率。由于step-wise patch embedding已经在embedding的时候将网络分成了不同的阶段，因此本节中的转换是将Transformer Block重新分配到不同的阶段，如上图所示（中）。

在这种转变下，基础性能得到了进一步的提高。这种设计利用了图像局部先验，因此在轻量的数据增强下模型能表现得更好。然而，该网络的精英性能明显下降。为了研究原因，作者进行了消融实验，发现 self-attention在很大的分辨率下不能很好地工作。作者推测大分辨率特征包含太多的token，而self-attention很难学习它们之间的关系。

3.3.4用LayerNorm替换BatchNorm
与BatchNorm相比，LayerNorm与Batch大小无关，对特定任务更友好，而BatchNorm在适当的Batch大小下通常可以获得更好的性能。作者用BatchNorm替换所有的LayerNorm，结果表明BatchNorm的性能优于LayerNorm。它可以提高网络的基础性能和精英性能。

此外，作者还尝试在Net2中添加BatchNorm，以进一步提高精英性能。然而，该Net2-BN网络存在收敛性问题。这就解释了为什么BatchNorm在纯Self-Attention模型中没有得到广泛的应用。但对于本文的混合模型，BatchNorm是提高性能的可靠方法。

3.3.5引入3×3卷积
由于网络的token以特征图的形式存在，因此引入核大小大于1×1的卷积是很自然的。大核卷积的具体含义如上图的右下角所示。全局 self-attention试图建立所有token之间的关系时，而卷积将局部邻域内的token联系起来。

因此，作者选择在feed-forward中的1×1卷积之间插入3×3卷积，从而将MLP块转换为bottleneck块，如上图的右上角所示。所获得的bottleneck块与ResNet-50中的bottleneck块相似，但它们的bottleneck比例不同。作者在所有三个阶段中都用bottleneck块替换MLP块。

3×3卷积可以利用图像中的局部先验，进一步提高了网络的基础性能。基础性能（77.37%）与ResNet-50（77.43%）相当。但精英性能下降了0.82%。作者进行了更多的实验来研究其原因——没有向所有阶段添加3×3卷积，而是分别向不同阶段插入3×3卷积。

作者观察到3×3卷积只在高分辨率特征上有效。作者推测，利用局部关系对于自然图像中的高分辨率特征是很重要的。然而，对于低分辨率的特征，在配备了全局self-attention时，局部卷积是不重要。
3.3.6移除position embedding
在基于Transformer的模型中，position embedding对token间的位置信息进行了编码。在本节的过渡网络中，作者删除了position embedding。

结果如上表所示，基础性能几乎没有变化，精英性能略有下降（0.29%）。作为比较，作者测试删除了DeiT-S的position embedding，精英性能显著下降了3.95%。
结果表明，position embedding在过渡模型中的作用不如基于纯Transformer的模型重要。因为过渡模型中的卷积操作已经利用了位置信息，这也解释了为什么基于卷积的模型不需要position embedding。

3.3.7用feed-forward来代替self-attention
在本节中，作者删除每个阶段的self-attention，而使用feed-forward层，使网络成为一个纯基于卷积的网络。所得网络(Net7)的性能如上表所示。基于纯卷积的网络在基础性能和精英性能都要差得多。

这表明，self-attention能够驱动神经网络获得更高的精英性能，并且不是导致ViT或DeiT的基础性能差的原因。因此可以设计一个具有高基础性能和精英性能的self-attention网络。

3.3.8调整网络的形状
Net7和ResNet-50之间仍有许多区别。但是，这两个网络都是基于卷积的网络。这两种网络之间的性能差距可以归因于网络架构设计策略。

上表的结果表明，ResNet-50具有更好的网络架构，并且可以在更少的FLOPs下表现得更好。然而，ResNet-50的精英表现更差。这表明，基本性能和精英性能之间的不一致性不仅存在于self-attention模型中，而且也存在于基于纯卷积的网络中。

3.4. Visformer

作者的目标是建立一个具有高基础性能和精英性能的网络。过渡研究表明，基础性能和精英性能之间存在一定的不一致性。

第一个问题是阶段性设计，它提高了基本性能，但降低了精英性能 。为了研究其原因，作者将Net5的每个阶段的bottleneck块分别替换为Self-Attention块，从而估计不同阶段的Self-Attention的重要性。

结果如上表所示，在所有三个阶段中，Self-Attention的取代都降低了基础性能和精英性能。此外，取代第一阶段的Self-Attention几乎对网络性能没有影响。更大的分辨率包含更多的token，作者推测Self-Attention要学习它们之间的关系更困难，因此低分辨率的Self-Attention比高分辨率的Self-Attention发挥着更重要的作用。

第二个问题是在前馈块中添加3×3卷积，这使精英性能降低了0.82% 。基于Net4，作者在每个阶段分别用bottleneck块替换MLP块。如上表所示，尽管所有阶段都在基础性能上得到了改进，但只有第一阶段精英性能得到提升。
当Self-Attention在这些位置上已经有了一个全局视图时，3×3卷积对于其他两个低分辨率的阶段是不必要的。在高分辨率阶段，Self-Attention难以处理所有的token，3×3卷积可以提供改进。

结合上述观察结果，作者提出了Visformer，结构如上表所示。

▊ 4.实验

4.1. Comparison to the state-of-the-arts

上表比较了Visformer和DeiT的性能，在基础设置和精英设置下，Visformer都优于DeiT，并且在基础设置下优势更显著。

上表比较了Visformer和其他Transformer-based模型性能。

上表比较了Visformer和CNN模型性能。

4.2. Training with limited data

上表比较了在有限数据集下，三种模型的对比，可以看出Visformer都取得了不错的结果。

▊ 5. 总结

本文提出了一种的有利于视觉识别Transformer模型——Visformer。作者使用两个设置，基础和精英设置，来评估每个模型的性能。为了研究基于Transformer的模型和基于卷积的模型表现不同的原因，作者分解了这些模型之间的差距，并设计了一个八步过渡步骤，以研究DeiT-S和ResNet-50之间的差距。

通过吸收优点并丢弃缺点，作者得到了同时优于DeiT-S和ResNet-50的Visformer-S模型。当被转移到一个紧凑的模型和在小数据集上进行评估时，Visformer也展现出了不错的性能。

▊ 作者简介

研究领域：FightingCV公众号运营者，研究方向为多模态内容理解，专注于解决视觉模态和语言模态相结合的任务，促进Vision-Language模型的实地应用。
知乎/公众号：FightingCV

本文来自于公众号：我爱计算机视觉
作者：小马