学习记录——FLatten Transformer

本文介绍了FLatten Transformer,一种在视觉Transformer中使用聚焦线性注意力的方法,旨在解决Transformer在视觉任务中计算量过大的问题。通过分析现有线性注意力的不足,提出聚焦函数和矩阵秩恢复模块,实现性能提升和更快的推理速度。

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FLatten Transformer: Vision Transformer using Focused Linear Attention

ICCV 2023
聚焦式线性注意力模块

关于Transformer

  在Transformer模型应用于视觉领域的过程中,降低自注意力的计算复杂度是一个重要的研究方向。线性注意力通过两个独立的映射函数来近似Softmax操作,具有线性复杂度,能够很好地解决视觉Transformer计算量过大的问题。 然而,目前的线性注意力方法整体性能不佳,难以实际应用。
  将Transformer模型应用于视觉领域并不是一件简单的事情。与自然语言不同,视觉图片中的特征数量更多,由于自注意力是平方复杂度,直接进行全局自注意力的计算往往会带来过高的计算量。针对这一问题,先前的工作通常通过减少参与自注意力计算的特征数量的方法来降低计算量。例如,设计稀疏注意力机制(如PVT)或将注意力的计算限制在局部窗口中(如Swin Transformer)。尽管有效,这样的自注意力方法很容易受到计算模式的影响,同时也不可避免地牺牲了自注意力的全局建模能力。
  线性注意力将Softmax解耦为两个独立的函数,从而能够将注意力的计算顺序从(query·key)·value调整为query·(key·value),使得总体的计算复杂度降低为线性。 然而,目前的线性注意力方法要么性能明显不如Softmax注意力࿰

### VMD与Transformer组合模型的应用及实现 #### 应用场景分析 VMD (Variational Mode Decomposition) 和 Transformer 的组合模型适用于多种复杂的时序数据分析任务,特别是在涉及非平稳信号处理的情况下表现出色[^1]。该组合不仅限于传统的电力系统、金融市场的波动预测等领域,在生物医学工程以及自然语言处理方面也有潜在应用。 对于多变量时间序列数据而言,这种混合结构可以有效分离原始信号成分,并通过强大的深度学习框架捕捉长期依赖关系和复杂模式[^2]。具体来说: - **信号预处理阶段**:采用VMD算法对输入的时间序列执行自适应分解操作,得到一系列本征模态函数(IMF),这些IMF代表不同频率范围内的振荡特性; - **特征提取与转换层**:基于上述获得的多个子带信号构建新的特征空间; - **高级语义理解部分**:引入Transformer机制来进一步挖掘各维度间隐含关联性,增强整体系统的表达力。 #### 实现流程概述 以下是关于如何搭建这样一个融合了VMD和Transformer特性的神经网络架构的具体指导: ```python import numpy as np from pyvmd import vmd # 假设有一个名为pyvmd的库实现了VMD功能 import torch import torch.nn as nn class VMD_Transformer(nn.Module): def __init__(self, input_dim, hidden_size, num_heads, output_dim): super(VMD_Transformer, self).__init__() # 初始化参数设置 self.input_dim = input_dim self.hidden_size = hidden_size # 定义VMD组件 alpha = 2000 # 分解惩罚因子 tau = 0. # 时间延迟常数 K = 8 # IMF数量上限 DC = 0 # 是否去除直流分量标志位 init = 1 # 初始条件选择开关 tol = 1e-7 # 收敛阈值设定 # 构造Transformer主体结构 encoder_layer = nn.TransformerEncoderLayer(d_model=input_dim*K, nhead=num_heads) self.transformer_encoder = nn.TransformerEncoder(encoder_layer, num_layers=6) # 输出映射至目标维数变换器 self.fc_out = nn.Linear(hidden_size * K, output_dim) def forward(self, src): batch_size, seq_len, _ = src.shape imfs_list = [] for i in range(batch_size): # 对每条记录单独做VMD处理 u, _, _ = vmd(src[i,:, :], alpha, tau, K, DC, init, tol) imfs_list.append(u.T.flatten()) transformed_input = torch.tensor(imfs_list).view(-1, seq_len*self.K, self.input_dim) out = self.transformer_encoder(transformed_input) prediction = self.fc_out(out[:, -1, :]) # 取最后一个时刻的状态向量进行回归预测 return prediction ``` 这段代码展示了怎样创建一个继承自`nn.Module`类的新对象——即包含了VMD前置处理步骤加上标准Transformers编码器链路的整体解决方案。注意这里简化了一些细节以便更好地传达核心概念。
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