简化的动态稀疏视觉Transformer的PyTorch代码

存一串代码(简化的动态稀疏视觉Transformer的PyTorch代码)


import torch 
import torch.nn  as nn 
import torch.nn.functional  as F 
 
class DynamicSparseAttention(nn.Module): 
    def __init__(self, dim, num_heads=8, dropout=0.1): 
        super().__init__() 
        self.num_heads  = num_heads 
        self.head_dim  = dim // num_heads 
        self.scale  = self.head_dim  ** -0.5 
 
        self.qkv  = nn.Linear(dim, dim * 3, bias=False) 
        self.attn_drop  = nn.Dropout(dropout) 
        self.proj  = nn.Linear(dim, dim) 
        self.proj_drop  = nn.Dropout(dropout) 
 
    def forward(self, x): 
        B, N, C = x.shape  
        qkv = self.qkv(x).reshape(B,  N, 3, self.num_heads,  self.head_dim).permute(2,  0, 3, 1, 4) 
        q, k, v = qkv.unbind(0)  
 
        attn = (q @ k.transpose(-2,  -1)) * self.scale  
        attn = attn.softmax(dim=-1)  
        attn = self.attn_drop(attn)  
 
        x = (attn @ v).transpose(1, 2).reshape(B, N, C) 
        x = self.proj(x)  
        x = self.proj_drop(x)  
        return x 
 
class HierarchicalRoutingBlock(nn.Module): 
    def __init__(self, dim, num_heads=8, mlp_ratio=4., dropout=0.1): 
        super().__init__() 
        self.norm1  = nn.LayerNorm(dim) 
        self.attn  = DynamicSparseAttention(dim, num_heads, dropout) 
        self.norm2  = nn.LayerNorm(dim) 
        self.mlp  = nn.Sequential( 
            nn.Linear(dim, int(dim * mlp_ratio)), 
            nn.GELU(), 
            nn.Dropout(dropout), 
            nn.Linear(int(dim * mlp_ratio), dim), 
            nn.Dropout(dropout) 
        ) 
 
    def forward(self, x): 
        x = x + self.attn(self.norm1(x))  
        x = x + self.mlp(self.norm2(x))  
        return x 
 
class DynamicSparseVisionTransformer(nn.Module): 
    def __init__(self, img_size=224, patch_size=16, num_classes=1000, dim=768, num_heads=8, depth=12, mlp_ratio=4., dropout=0.1): 
        super().__init__() 
        self.patch_embed  = nn.Conv2d(3, dim, kernel_size=patch_size, stride=patch_size) 
        self.pos_embed  = nn.Parameter(torch.zeros(1,  (img_size // patch_size) ** 2, dim)) 
        self.dropout  = nn.Dropout(dropout) 
 
        self.blocks  = nn.ModuleList([HierarchicalRoutingBlock(dim, num_heads, mlp_ratio, dropout) for _ in range(depth)]) 
        self.norm  = nn.LayerNorm(dim) 
 
        self.head  = nn.Linear(dim, num_classes) if num_classes > 0 else nn.Identity() 
 
    def forward(self, x): 
        x = self.patch_embed(x).flatten(2).transpose(1,  2) 
        x = x + self.pos_embed  
        x = self.dropout(x)  
 
        for blk in self.blocks:  
            x = blk(x) 
 
        x = self.norm(x)  
        x = x[:, 0] 
        x = self.head(x)  
        return x 
 
# 使用 
model = DynamicSparseVisionTransformer() 
x = torch.randn(1,  3, 224, 224) 
output = model(x) 
print(output.shape)  

代码解释
DynamicSparseAttention:实现动态稀疏注意力模块。
HierarchicalRoutingBlock:实现层次化路由块,包含注意力模块和多层感知机。
DynamicSparseVisionTransformer:实现完整的动态稀疏视觉Transformer模型,包括补丁嵌入、位置嵌入、层次化路由块和分类头。

### 动态稀疏门控融合的概念 动态稀疏门控融合是一种结合了动态计算、稀疏化处理以及门控机制的技术,旨在提升模型效率的同时保持甚至提高性能。该概念通常涉及多个领域的方法集成,例如可变形卷积中的动态稀疏操作[^2]、图像融合中的自适应稀疏表示[^1],以及生成对抗网络中的门控注意力机制[^3]。 --- #### **动态稀疏操作** 动态稀扑操作的核心在于根据输入数据的特性调整计算资源分配。DCNv4作为一种典型的动态稀疏算子,通过引入偏移量和掩码矩阵实现了对特征图的空间采样灵活性: - 偏移量控制采样的位置; - 掩码矩阵决定每个采样点的重要性权重。 这种设计使得模型能够专注于重要的区域并忽略冗余部分,从而显著降低计算开销。 ```matlab % DCNv4 的伪代码示例 (MATLAB 表达形式) function output = dcn_v4(input, offset, mask) % input: 输入特征图 % offset: 控制采样位置的偏移量 % mask: 权重掩码 sampled_points = deformable_sample(input, offset); % 动态采样 weighted_output = sampled_points .* mask; % 加权融合 output = sum(weighted_output, 'all'); % 输出结果 end ``` --- #### **门控机制的作用** 门控机制允许模型有条件地更新状态或传递信息,在时间序列建模和视频分析等领域尤为重要。例如,在生成对抗网络中使用的 AGs U-net 结构中,门控单元负责调节不同尺度间的信息流动。具体而言: - 门控单元通过对通道维度上的激活值进行加权筛选,增强重要特征而抑制噪声。 - 这种选择性过滤有助于减少无关背景干扰,突出目标对象的关键属性。 以下是简化版门控层的设计思路: ```python import torch.nn as nn class GatedLayer(nn.Module): def __init__(self, channels): super(GatedLayer, self).__init__() self.gate = nn.Sequential( nn.Conv2d(channels, channels, kernel_size=1), nn.Sigmoid() ) def forward(self, x): gate_value = self.gate(x) # 计算门控信号 gated_x = x * gate_value # 应用门控 return gated_x ``` --- #### **融合策略** 为了实现动态稀疏与门控的有效融合,可以采用如下框架: 1. 利用动态稀疏操作提取感兴趣区域(ROI),形成紧凑表征; 2. 将 ROI 数据送入门控模块进一步优化特征质量; 3. 合并来自多源的数据流完成最终决策过程。 这种方法不仅适用于静态图片场景下的超分辨率重建或者风格迁移任务,也能够在复杂环境如视频监控系统里发挥重要作用。 --- ### 已有研究进展及相关工具链 目前关于此主题的研究成果主要集中在计算机视觉方向上,下面列举几个代表性工作及其配套开源项目链接供参考: | 名称 | 描述 | 地址/备注 | |-------------------|-------------------------------------------------------------------------------------|----------------------------------| | Deformable DETR | 使用 DCN 提升 Transformer 性能的目标检测算法 | GitHub 存储库提供 PyTorch 版本 | | KSVD 图像融合 | 自适应字典学习驱动的跨模态影像合成方案 | Matlab 官方文档包含完整教程 | | VideoGAN w/GSA | 融合全局时空注意力建模的人群活动理解 | TensorFlow 和 Keras 实现均可下载 | 上述资料均具备详尽说明文档便于初学者快速入手实践探索。 ---
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