昇思25天学习打卡营第10天|Vision Transformer图像分类

Vision Transformer（ViT）简介

近些年，随着基于自注意（Self-Attention）结构的模型的发展，特别是Transformer模型的提出，极大地促进了自然语言处理模型的发展。由于Transformers的计算效率和可扩展性，它已经能够训练具有超过100B参数的空前规模的模型。

ViT则是自然语言处理和计算机视觉两个领域的融合结晶。在不依赖卷积操作的情况下，依然可以在图像分类任务上达到很好的效果。

模型结构

ViT模型的主体结构是基于Transformer模型的Encoder部分（部分结构顺序有调整，如：Normalization的位置与标准Transformer不同），其结构图[1]如下：

模型特点

ViT模型主要应用于图像分类领域。因此，其模型结构相较于传统的Transformer有以下几个特点：

1. 数据集的原图像被划分为多个patch（图像块）后，将二维patch（不考虑channel）转换为一维向量，再加上类别向量与位置向量作为模型输入。
2. 模型主体的Block结构是基于Transformer的Encoder结构，但是调整了Normalization的位置，其中，最主要的结构依然是Multi-head Attention结构。
3. 模型在Blocks堆叠后接全连接层，接受类别向量的输出作为输入并用于分类。通常情况下，我们将最后的全连接层称为Head，Transformer Encoder部分为backbone。

下面将通过代码实例来详细解释基于ViT实现ImageNet分类任务。

环境准备与数据读取

import os

import mindspore as ms
from mindspore.dataset import ImageFolderDataset
import mindspore.dataset.vision as transforms


data_path = './dataset/'
mean = [0.485 * 255, 0.456 * 255, 0.406 * 255]
std = [0.229 * 255, 0.224 * 255, 0.225 * 255]

dataset_train = ImageFolderDataset(os.path.join(data_path, "train"), shuffle=True)

trans_train = [
    transforms.RandomCropDecodeResize(size=224,
                                      scale=(0.08, 1.0),
                                      ratio=(0.75, 1.333)),
    transforms.RandomHorizontalFlip(prob=0.5),
    transforms.Normalize(mean=mean, std=std),
    transforms.HWC2CHW()
]

dataset_train = dataset_train.map(operations=trans_train, input_columns=["image"])
dataset_train = dataset_train.batch(batch_size=16, drop_remainder=True)

模型解析

下面将通过代码来细致剖析ViT模型的内部结构。

Transformer基本原理

Transformer模型源于2017年的一篇文章[2]。在这篇文章中提出的基于Attention机制的编码器-解码器型结构在自然语言处理领域获得了巨大的成功。模型结构如下图所示：

其主要结构为多个Encoder和Decoder模块所组成，其中Encoder和Decoder的详细结构如下图[2]所示：

Encoder与Decoder由许多结构组成，如：多头注意力（Multi-Head Attention）层，Feed Forward层，Normaliztion层，甚至残差连接（Residual Connection，图中的“Add”）。不过，其中最重要的结构是多头注意力（Multi-Head Attention）结构，该结构基于自注意力（Self-Attention）机制，是多个Self-Attention的并行组成。

所以，理解了Self-Attention就抓住了Transformer的核心。

Attention模块

以下是Self-Attention的解释，其核心内容是为输入向量的每个单词学习一个权重。通过给定一个任务相关的查询向量Query向量，计算Query和各个Key的相似性或者相关性得到注意力分布，即得到每个Key对应Value的权重系数，然后对Value进行加权求和得到最终的Attention数值。

在Self-Attention中：

1. 最初的输入向量首先会经过Embedding层映射成Q（Query），K（Key），V（Value）三个向量，由于是并行操作，所以代码中是映射成为dim x 3的向量然后进行分割，换言之，如果你的输入向量为一个向量序列（$x_1$，$x_2$，$x_3$），其中的$x_1$，$x_2$，$x_3$都是一维向量，那么每一个一维向量都会经过Embedding层映射出Q，K，V三个向量，只是Embedding矩阵不同，矩阵参数也是通过学习得到的。这里大家可以认为，Q，K，V三个矩阵是发现向量之间关联信息的一种手段，需要经过学习得到，至于为什么是Q，K，V三个，主要是因为需要两个向量点乘以获得权重，又需要另一个向量来承载权重向加的结果，所以，最少需要3个矩阵。

$$\{\begin{array}{ll}{q}_i=W_q\cdot x_i& \\ k_i=W_k\cdot x_i,& i=1,2,3\dots \\ v_i=W_v\cdot x_i& \end{array}\text{\hspace{1em}(1)}$$

2. 自注意力机制的自注意主要体现在它的Q，K，V都来源于其自身，也就是该过程是在提取输入的不同顺序的向量的联系与特征，最终通过不同顺序向量之间的联系紧密性（Q与K乘积经过Softmax的结果）来表现出来。Q，K，V得到后就需要获取向量间权重，需要对Q和K进行点乘并除以维度的平方根，对所有向量的结果进行Softmax处理，通过公式(2)的操作，我们获得了向量之间的关系权重。

$$⎩$$