Swin Transformer论文阅读笔记

Swin Transformer

Swin transformer是一个用了移动窗口的层级式（Hierarchical）transformer。其像卷积神经网络一样，也能做block以及层级式的特征提取。本篇博客结合网上的资料，对该论文进行学习。

摘要

本篇论文提出了一个新的Transformer，称作Swin Transformer，其可以作为计算机视觉领域的一个通用的骨干网络。这是因为ViT这篇论文仅仅是做了分类的任务，而Swin Transformer在计算机视觉的各个领域都有取代CNN的潜力。但是直接把Transformer用到视觉方面会有两个问题：一个是视觉实体的尺度有很大的变化（比如无人驾驶任务中一张街景图片，此时代表同样语义的一个词其对应的实体可能有各种各样的大小，这种问题在NLP就不曾出现），另一个是图像的像素与文本中的字相比分辨率非常高，如果以像素点作为基本单位的话序列的长度就会迅速增加。针对第二个问题，目前的解决方案要么是以特征图作为输入，要么是把图片打成patch，要么是把图片画成一个个小窗口，在窗口里做自注意力。针对上述两个问题，作者提出了一种包含移动窗口、具有层级设计的Transfoer——Swin Transformer。这种设计让两个相邻的窗口之间产生了交互（cross-window connection）。同时作者提到，这种分层结构可以灵活地在不同的尺度上建模，并且计算复杂度随着图像大小的增大而线性增长（非平方级别增长）。由于这种分层的结构，Swin Transformer像卷积神经网络一样拥有了多尺度的特征，因此可以被应用到下游任务中。

引言

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上图是Swin Transformer和ViT的一个对比。ViT每一层都是16倍的下采样率，不适用于预测密集型任务。同时其对于多尺度特征的把握会变弱，而对于检测和分割的任务，多尺度的特征是非常重要的。且其自注意力始终是在整张图上进行，即是一个全局建模，其计算复杂度与图像大小成二次方关系。因此，Swin Transformer借鉴了CNN的很多设计理念以及其先验知识：小窗口内算自注意力（认为同一个物体会出现在相邻的地方，因此小窗口算自注意力其实是够用的，而全局自注意力实际上有一些浪费资源）。CNN之所以能抓住多尺度的特征是因为池化这个操作（能增大每一个卷积核的感受野），因此Swin Transformer也提出了一个类似池化的操作，把相邻的小patch合成一个大的patch。

Swin Transformer最关键的一个设计元素就是移动窗口，使得窗口与窗口之间可以进行交互，再加上之后的patch merging，合并到transformer最后几层的时候每一个patch本身的感受野就已经很大了，再加上移动窗口的操作，就相当于实现了全局自注意力。

方法

整体流程

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假设有一张ImageNet标准尺寸图片\(224\times 224\times 3\)，首先将其打成patch（\(4\times 4\)而非\(16\times 16\)），得到的图片尺寸是\(56\times 56\times 48\)，其中\(48=4\times 4\times 3\)（3为通道数）。之后是Linear Embedding，把向量的维度变成Transformer能够接受的值，超参数设置为C。Swin-T的C为96，此处为\(56\times 56\times 96\)。之后前两个56拉成一个维度\(3136\)（即seq的长度），之后的96变成了每一个token的向量的维度。而3136太长了，transformer不可接受，因此Swin Transformer Block使用了基于窗口的自注意力计算方法。对于每个窗口，其默认只有\(7\times 7 = 49\)个patch，序列长度就变成了49，相比3136而言大大减小。如果对于transformer不做约束的话，输入序列长度是多少，则输出序列长度就是多少，因此经过第一个Block之后，输出的尺寸还是\(56\times 56\times 96\)。之后为了实现层级的结构，需要加入类似CNN中池化的操作，因此就有了图中的Patch Merging。这里想要下采样两倍，因此经历了如下图的过程（最后将四个张量在通道维度拼接），向量变为\(28\times 28\times 384\)（其中\(384=96\times 4\))：

CNN中池化后通道数往往翻倍，因此这里也想要让其翻倍，而此时通道维是4C而非2C，因此需要用\(1\times 1\)卷积核把通道维将为\(2C\)，所以经过第一个Patch Merging后向量大小为\(28\times 28\times 192\)。之后再经历一个transformer block其大小不变，因此第二个stage结束后大小为\(28\times 28\times 192\)。以此类推，第四个stage结束后输出大小为\(7\times 7\times 768\)。

在最后，直接使用全局平均池化将\(7\times 7\)变成1来做分类。然而Swin Transformer并非只做分类，因此这一部分可以修改，作者也就没有画出来。

基于自注意力的移动窗口

作者首先介绍了这样做的动，即全局自注意力计算会导致平方级别的计算复杂度，进而提到使用窗口来做自注意力。原来的图片会被平均分成没有重叠的窗口。以第一层输入为例，其大小为\(56\times 56\times 96\)，将其切分为\(8\times 8\)个窗口，每个窗口内有\(M\times M\)个patch（文章中M默认为7）。自注意力都是在小窗口完成的，序列长度永远为49。对于计算复杂度，作者进行了如下估计（假设划分为\(h\times w\)个patch）：

第一个公式是标准的多头自注意力，计算过程如下：

而对于使用窗口的多头自注意力，一个窗口内计算的还是多头自注意力，可以直接套用前一个公式，对于每个窗口，input大小变为\(M^2\times C\)（h和w变为m和m），因此一个窗口的计算复杂度为\(4M^2C^2+2M^4C\)，而总共有\(\frac{h}{M}\times \frac{w}{M}\)个窗口，乘起来就是\(4hwC^2+2M^2hwC\)。

对于这种方式，作者说虽然这很好地解决了内存和计算量的问题，但是缺少了窗口和窗口之间的通信，会限制模型的表达能力。因此作者提出了移动窗口的方式。具体的过程参看下图：

因为每次都是先做一次基于窗口的自注意力，再做一次基于移动窗口的自注意力，所以整体流程的图里Transformer Block的数量都是偶数（2、2、6、2）。

为了提高移动窗口的计算效率，作者使用了掩码，以及使用的是相对位置编码而非绝对位置编码。

对于上图而言，虽然已经做到了窗口之间的相互通信，但经过一次移动后从四个窗口变为了九个窗口，且窗口大小不一，这样就没法把这些窗口压为一个batch直接去做自注意力了（窗口大小不一样，除了batch维没法合并）。一种解决方式是给非最大尺寸的窗口做padding，但是这样的计算量就会大大增加。因此作者提出了一种循环移位（cyclic shift）的方式：

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