ViT原理及用法

ViT原理及用法

ViT简介

ViT是Vision Transformer的缩写,它是一种基于Transformer架构的模型,用于处理图像识别任务。Transformer最初是在自然语言处理(NLP)领域提出的,特别是在语言模型和机器翻译任务中取得了巨大成功。ViT将Transformer的思想扩展到了计算机视觉领域。

ViT的基本原理

ViT将输入图像转换为一个序列化的表示形式。通过将图像分割成多个固定大小的小块(patches),然后将每个patch线性投影到一个D维的嵌入空间来实现。
ViT

  1. Patch Embedding:
  • 与卷积神经网络(CNN)不同,ViT不直接处理原始像素值。它首先将输入图像划分为多个小块(称为"patches")。
  • 每个patch通过一个线性层(即全连接层)被转换成一个D维的特征向量。这一步将图像的二维空间信息转换为一维序列数据。
  1. Class Token:
  • 类似于在Transformer模型中的[CLS] token,ViT引入了一个特殊的类别token,它与图像patches的嵌入向量一起输入到模型中。这个token的最终状态将被用作分类任务的表示。
  1. Positional Encoding:
  • 与Transformer在NLP中使用位置编码类似,ViT向每个patch嵌入向量添加位置编码,以保持序列中每个patch的位置信息。位置编码通常使用正弦和余弦函数的组合来生成,确保模型能够理解图像中的空间结构。
  1. Multi-head Self-Attention:
  • 与NLP中的Transformer相同,ViT使用多头自注意力机制来捕捉不同位置之间的依赖关系。
  • 每个头学习图像的不同子空间表示,增强了模型捕获全局上下文的能力。
  1. Value(V)、Key(K)、Query(Q)的计算:
  • 在自注意力层中,模型会为输入序列的每个元素计算K、V和Q。这些计算是通过线性层完成的,然后通过这些向量计算注意力权重,这些权重决定了在生成输出序列时每个元素对其他元素的影响程度。
  1. Feed-Forward Networks:
  • 在自注意力层之后,ViT使用前馈神经网络(FFN)来进一步处理特征。
  1. Layer Normalization and Residual Connections:
  • 与Transformer一样,ViT在每个子层(自注意力和FFN)之后使用层归一化(Layer Normalization)和残差连接(Residual Connections),以促进深层网络的训练。
  1. Pooling:
  • 与CNN中的池化操作不同,ViT不使用固定的池化策略。相反,它可以通过不同的方式(如全局平均池化或通过类别token)来聚合特征。

ViT模型在多个视觉识别任务上表现出色,包括图像分类、目标检测和图像分割等。ViT的成功证明了Transformer架构不仅适用于序列数据,也能够处理具有空间结构的图像数据。

ViT的原始论文名:An Image is Worth 16x16 Words: Transformers for Image Recognition at Scale
链接:https://arxiv.org/pdf/2010.11929

### ResNet-50 和 Vision Transformer (ViT) 混合模型架构及其工作原理 #### 背景介绍 近年来,Vision Transformers (ViT)[^2] 已经成为计算机视觉领域的重要工具之一。然而,在许多实际应用中,传统的卷积神经网络(CNN),如ResNet-50[^3],仍然表现出强大的性能和鲁棒性。因此,将两者结合起来形成一种混合模型已成为研究热点。 这种混合模型通常利用ResNet作为特征提取器的基础部分,而Vision Transformer则用于捕捉更高级别的全局依赖关系。通过这种方式,可以充分利用两者的优点:ResNet擅长局部纹理分析,而Transformer能够更好地处理长距离空间关联。 #### 架构概述 该混合模型的核心理念是从ResNet-50出发并引入一些训练技巧以增强其表现力。具体来说: 1. **基础结构** 使用经过改进的ResNet-50作为骨干网路,并采用类似于训练ViT的技术对其进行优化。这些技术可能包括更大的批量大小、更强的数据增广以及自监督预训练等方法[^1]。 2. **转换至Transformer层** 在某些阶段之后,将传统卷积操作替换为多头注意力机制(Multi-head Attention Mechanism),从而允许模型学习图像不同区域之间的相互作用。此过程可以通过逐步减少卷积层数量并将最后几层替换成全连接型或稀疏连接型transformer block实现。 3. **设计探索** 探讨多种设计方案对于最终效果的影响,比如是否应该保持原始residual connection形式不变;如何调整宽度参数使得整体计算成本维持在一个合理范围内等等。此外还涉及到了诸如增大kernel size这样的改动尝试。 #### 实现细节 以下是构建这样一个hybrid model的一个简化版本伪代码表示: ```python import torch.nn as nn from torchvision.models import resnet50 class HybridModel(nn.Module): def __init__(self, num_classes=1000): super(HybridModel, self).__init__() # Load pre-trained ResNet-50 without fully connected layer at the end. base_model = resnet50(pretrained=True) layers_to_keep = list(base_model.children())[:-2] self.resnet_features = nn.Sequential(*layers_to_keep) # Add transformer blocks here... from transformers import ViTModel config = ... # Define configuration according to your needs. self.transformer_blocks = ViTModel(config=config).encoder.layer[-6:] # Example: last six layers. self.classifier = nn.Linear(768 * 49, num_classes) # Adjust dimensions accordingly. def forward(self, x): out = self.resnet_features(x) B, C, H, W = out.shape out = out.view(B, C, -1).permute(0, 2, 1) # Flatten spatial dimension into sequence length. out = self.transformer_blocks(out)[-1].mean(dim=1) # Take mean over all tokens or use CLS token if available. return self.classifier(out) ``` 上述代码片段展示了如何组合ResNet与Transformers的部分组件来创建一个新的分类模型框架。注意这里仅提供了一个非常基本的例子说明思路,实际部署时还需要考虑更多因素如正则化手段的选择等问题。 #### 结论 综上所述,ResNet-50 和 ViT 的混合模型通过融合两种不同的架构特性——即 CNN 对于低级特征的良好捕获能力以及 Transformer 高效建模远程依存的能力——实现了优于单一架构的表现水平。这种方法不仅有助于提升现有系统的准确性,也为未来的研究方向提供了新的视角。 ---
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