【论文阅读】CONDITIONAL POSITIONAL ENCODINGS FOR VISIONTRANSFORMERS

来自美团技术团队2023年ICLR会议上发表的论文

论文地址：https://link.zhihu.com/?target=https%3A//arxiv.org/pdf/2102.10882.pdf

一、Motivation

由于Transformer中的Self-Attention操作是Permutation-Invariant的，也就是说，对于同一个序列，任意顺序进行排列，Self-Attention得到的一样的结果。关于置换不变性的推导如下：

 

这种置换不变性显然不是我们所期望的，为了打破这种性质，不难看出，我们需要为每个位置赋予一个独特的标志，这样当求和过程中各个item的位置发生变化后，其对应的item的值也会发生变化，从而打破了这种排列不变性。 这个独特的标志即为Positional Encodings。

Positional Encodings的重要性：

由于self-attention的permutation-invariant使得transformer需要一个特殊的positional encodings来显式地引入sequence中tokens的位置信息，因为无论是文本还是图像sequence，位置信息都是非常重要的。论文中以DeiT-tiny为实验模型，分别采用no positional encodings，learnable absolute positional encodings，fixed sin-cos positional encodings以及relative postional encodings等，不同的策略在ImageNet下的效果如下表所示：

 

主要结论如下：

1. positional encodings对模型性能比较关键，不采用任何PE效果最差；
2. relative postional encodings相比absolute positional encodings效果稍差，绝对位置编码比较重要；
3. 用显式的PE，当图像分辨率提升时直接对PE插值处理，性能会下降；

目前的位置编码分为两种类型：

1. Fixed Positional Encodings：将各个位置设置为固定值，例如ViT中的绝对位置编码，就是固定位置编码
2. Learnable Positional Encoding：即训练开始时，初始化一个和输入token数目一致的tensor，这个tensor会在训练过程中逐步更新。

但是，以上的编码方式都存在一些问题：

1. 位置编码的长度是固定的，如果在测试过程中，遇到了更大尺寸的输入序列，通常的解决方式是通过插值进行上采样来改变序列的长度，在没有fine-tune的情况下，这种方式会影响模型的效果
2. 对于视觉任务来说，我们期待的模型是平移等变的，但是加上了位置编码后，模型不再具有平移等变性
3. 即使是相对位置编码，一方面引入了额外的计算量，另一方面，需要对原始的ViT进行修改。并且对于分类任务而言，相对位置编码无法提供绝对位置信息，会干扰分类效果

在这里，顺便解释一下平移不变性和平移等变性，Translation Invariance和Translation Equivariance

1. 平移不变性（Translation Invariance）：在图像分类任务中，不变性意味着，当所需要识别的目标出现在图像的不同位置时，模型对其识别所得到的标签应该相同。即当输出进行变换后，还能得到相同的输出。
2. 平移等变性（Translation Equivariance）：例如在目标检测任务中，如果输入的图像中，对应的目标发生了平移，那么最终检测出的候选框也应发生相应的变化。即对输入进行变换后，输出也会发生相应的变换。

二、Method

这篇文章为 ViT 提出了条件位置编码 (CPE) 方案。与以前的固定或可学习的位置编码不同，它们是预先定义的并且独立于输入标记，CPE 是动态生成的，并且以输入标记的本地邻域为条件。因此，CPE 可以很容易地泛化到比模型在训练期间看到的更长的输入序列。此外，CPE 可以在图像分类任务中保持所需的平移不变性，从而提高分类精度。
一个理想的、对视觉任务有效的positional encoding应该满足以下条件：

1. 使得网络具有Permutation-Variant，但是具有Translation-Invariant
2. 具有较强的归纳能力，能够处理不同长度的序列
3. 具有一定的提供绝对位置的能力

利用局部关系的构建的Positional Encoding即可满足以上要求，为什么呢，论文没有仔细写，我认为有以下原因：

1. 首先，这是一个置换变量，当输入序列发生了变化，那么也会影响某些局部邻域的顺序
2. 当图像中物体的位置发生了平移，并不会影响局部邻域，所以满足了平移等变性
3. 因为计算过程中只涉及到邻域的计算，所以可以很好地推广到不同长度的序列
4. 如果已知任意一个输入的token绝对位置，就可以通过token间的相互关系得到所有token的位置

Positional Encoding Generator

 

首先分割原图像，产生的小块图像进行 feature tokens，再 reshape 成二维数据（蓝色），再基于一个 F 函数进行转换（绿色）尺寸不变，再分割成小块，输入进 Transformer 中，其中 F 函数，即为条件。F 函数是一个二维卷积，理论上可以是任何形式的二维卷积。这里强调是二维卷积，而不是三维卷积，因为首先进行分割，再将分割后的特征进行了扁平化，所以是二维的（如果直接对图片使用卷积，那卷积核应该是三维的）

这里解释一下为什么二维卷积就变成条件位置编码了呢？卷积操作大家都可以理解，卷积核越大，包含的周边信息就越多，这个过程可以理解为将原始图像的顺序排列的特征有了空间信息，空间信息越多，分类的准确率就越高。

本质上说：CPE 本质解决的问题就是提高了分割后的小图片的空间信息，由于将图片分割成小图片后，排成一排输入进 Transformer 中时，会失去原本的图片的空间信息，最开始的位置编码，并不能完美的解决这个问题，而修改后的条件编码，一定程度上解决了这个问题。

写在最后

CNN + Transformer 的架构值得尝试！