神经网络学习笔记5——Swin-Transformer网络

系列文章目录

神经网络学习笔记1——ResNet残差网络、Batch Normalization理解与代码
神经网络学习笔记2——VGGNet神经网络结构与感受野理解与代码
参考博客1
参考博客2

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前言

swin-transformer是什么？

1. Swim Transformer是特为视觉领域设计的一种分层Transformer结构。Swin 的两大特性是滑动窗口和分层表示。滑动窗口在局部不重叠的窗口中计算自注意力，并允许跨窗口连接。分层结构允许模型适配不同尺度的图片，并且计算复杂度与图像大小呈线性关系，也因此被人成为披着transformer皮的CNN。
2. Swin Transformer借鉴了CNN的分层结构，不仅能够做分类，还能够和CNN一样扩展到下游任务可以，用于计算机视觉任务的通用主干网络，可以用于图像分类、图像分割、目标检测等一系列视觉下游任务。
3. 它以VIT作为起点，设计思想吸取了resnet的精华，从局部到全局，将transformer设计成逐步扩大感受野的工具，它的成功背后绝不是偶然，而是厚厚的积累与沉淀。

解决了什么问题？

1. 与NLP领域不同，视觉领域同类的物体，在不同图像上/同一图像上的尺度会相差巨大，同一张多行人图中，行人会有大有小，有近有远，同一语义下的不同目标可能尺度差距变化会很大；
2. 相较于文本，图像的尺寸过大，计算复杂度较高；
3. 相比之前的ViT做了两个改进：引入CNN中常用的层次化构建方式构建层次化Transformer ；引入locality思想，对无重合的window区域内进行self-attention计算。

优点是什么？

1. 提出了一种层级式网络结构，解决视觉图像的多尺度问题，提供各个尺度的维度信息；
2. 提出Shifted Windows移动窗口，带来了更大的效率，移动操作让相邻窗口得到交互，极大降低了transformer的计算复杂度；
3. 计算复杂度是线性增长而不是平方式增长，可以广泛应用到所有计算机视觉领域；

结论是什么？

1. Transformer完全可以在各个领域取代CNN，被人称为CV领域的新方向，新时代

效果怎么样？

1. 在ImageNet上并非SOTA，仅与EfficientNet的性能差不多
2. swin-transformer的优点不是在于分类，在分类上的提升不是太多，而在检测、分割等下游任务中，有巨大的提升.
3. 该论文是在2021年3月发表的，一经发表就已在多项视觉任务中霸榜。

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一、Patch Merging操作

ViT用的是16×16的patch size，也就是16倍的下采样率，从低到高，这些token每个patch的尺寸并不会发生改变，通过全局自注意力操作来实现全局建模，可是面对多尺寸的目标的学习会较差，一单一尺寸处理为主。且面对大图片时序列长度还是过大，计算复杂度平方式递增。

在密集预测型任务如检测和分割或者说在落地项目中使用的图片，多尺度问题是很重要的问题，成熟的模型都会有专门的多尺度特征处理方法。

Swin transformer是在小窗口中进行自注意力（窗口概念在第二块），这些patch组成的小窗口和ViT的patch不同是相较独立的。比如4倍下采样中，将特征图划分成了多个不相交的小窗口区域，Multi-Head Self-Attention只在每个窗口patch内进行。
面对不相交的窗口如何传递信息，如何学习多尺度信息，它提出了patch merging，简单来说就是由小窗口patch合成大窗口patch增大感受野，再通过序号选取的方式去提取出深度特征图，模拟出一种类似池化的操作。
详细来说就是通过一个Patch Merging层进行下采样，如下图所示，比如想下采样两倍，先将四个小patch合成大patch，再通过小patch身上的序号1、2、3、4进行提取，提取的时候是每隔一个点选一个也就是选择同序号，同样序号位置上的 patch 就会被 merge。经过提取之后，原来的这个张量就变成了四个张量，在深度方向进行concat拼接，维度从h × w × c变为h/2 × w/2 × 4c，然后在通过一个LayerNorm层。因为要类比CNN模式，每次经过pooling后通道数只会翻倍，所以这里也只想让他翻2倍，而不是变成4倍，所以紧接着又再做了一次操作，就是在 c 的维度上用一个1x1的卷积（或者全连接层），把通道数降下来变成2c，最后就得到了h/2 × w/2 × 2c的输出。即通过Patch Merging层后，feature map的高和宽会减半，深度会翻倍。

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二、W-MSA、SW-MSA与cyclic shift窗口设计

1、窗口自注意力W-MSA

像ViT的全局自注意力的计算会导致平方倍的复杂度，同样当去做视觉里的下游任务，尤其是密集预测型的任务，或者说遇到非常大尺寸的图片时候，这种全局算自注意力的计算复杂度对比卷积就会有很大算力差别。

文章提出用窗口的方式去做自注意力，也就是Windows Multi-head Self-Attention（W-MSA），W-MSA模块是为了减少计算量。

如下图所示，左侧使用的是普通的Multi-head Self-Attention（MSA）模块，对于feature map中的每个像素（或称作token或patch）与Class序列在Self-Attention计算过程中需要和所有的像素去计算全局。

但在图右侧，将特征图拆分成一个个不重叠的window，使用W-MSA模块时，首先将feature map按照M×M（例子中的M=2）大小划分成一个个Windows，然后单独对每个Windows内部进行Self-Attention。

假设在Swin transformer中输入224×224×3的图片，那么一个patch的大小划分为4×4，那么就有56×56个patch，而每7个patch就组成一个窗口，也就是一个窗口有7×7个patch，一个224×224×3的图片会有8×8=64个窗口。

原论文中有给出下面两个公式，这里忽略了Softmax的计算复杂度：

1. h代表feature map的高度
2. w代表feature map的宽度
3. C代表feature map的深度
4. M代表每个窗口（Windows）的大小，patch为单位

对比公式（1）和公式（2），虽然这两个公式前面这两项是一样的，只有后面从 (hw) ^ 2变成了 M^2 * h * w，看起来好像差别不大，但其实如果仔细带入数字进去计算就会发现，计算复杂的差距是相当巨大的，因为这里的 hw 如果是56*56的话， M^2 其实只有49，所以是相差了几十甚至上百倍。

2、移动窗口自注意力SW-MSA

transformer初衷是理解上下文，是一种信息的传递交互，采用W-MSA模块时，只会在每个窗口内进行自注意力计算，所以窗口与窗口之间是无法进行信息传递的。为了解决这个问题，作者引入了Shifted Windows Multi-Head Self-Attention（SW-MSA）模块，即进行偏移的W-MSA。根据左右两幅图对比能够发现窗口发生了偏移（可以理解成窗口从左上角分别向右侧和下方各偏移了 M /2 个patch）。

在L1层使用的是W-MSA，L1+1层使用的是SW_MSA，在L1时每个窗口里的patch只能和同一个窗口里的patch相互学习，而到了L1+1层时，由于窗口的移动，导致一些patch进入新的窗口，这些带有上一层窗口信息的patch可以和别的带有上一层前窗口信息的patch相互学习。这就是跨窗连接cross window connection操作，使得窗口与窗口之间有着交互。再结合合并Patch Merging操作，在最后几层的时候，每个patch已经与特征图绝大部分的patch有过交流，也就是感受野已经很大了可以看见图片的绝大部分了。这些局部注意力信息最终会扩散到全局，变相达到全局注意力的效果。简单来说就L1+1层中心的4×4窗口学习融合的信息是L1层四个窗口的信息，因为中心的4×4窗口来源组成是L1层四个窗口的patch，L1层四个窗口的patch经过W-MSA时就已经学习到所在窗口的信息，带有自己窗口的信息。所以L1+1层中心的4×4窗口的学习就是L1层四个窗口的绝大部分相邻信息融合。

3、窗口移动优化cyclic shift

其实SW-MSA窗口的移动也存在问题，虽然实现让窗口里的patch可以和其他窗口的patch相互通信，交流到别的窗口的信息。可是移动的前后却带有一个问题，就比如移动前L1是四个窗口，每个窗口都是16个patch，移动后的L1+1是九个窗口，每个窗口大小不一，分别是4\8\16个patch。

有一种简单的做法，就是补零，比如把四个patch的窗口补多12个0，补成16个patch的窗口格式，这样4补12,8补8，补完后就得到9个窗口，再将9个窗口打成batch进行学习。虽然做法直白简单，但是一个batch里的窗口从4个提升到9个，实际上计算量提高了，复杂度也提高了。

Swin transformer提出利用掩码做一次循环移位cyclic shift，具体的做法就是：

1. 给L1+1的上方和左边的残缺窗口临时编号为A、B、C。
2. 把A、B、C残缺窗口移动到L1+1的下方和右边，A是对角，B、C是对面。
3. 将新建的特征图在划分为4个窗口，其中原中心16patch窗口不变，其他的残缺窗口拼接成新的16patch窗口。

这种操作即实现了不同窗口的patch交流，，又不会像补零操作那样窗口增加，计算复杂度提高。但是又产生新问题，就是原中心16patch窗口是不变的，里面的patch是本来就是像素意义上的邻居，是有关系的，可以两两相互做自注意力。可是对于另外3个拼接16patch窗口来说，它们是来自不同区域的特征图，如果它们之间做自注意力那么学习出来的特征可能是混乱的，也就是说它们之间不能当做一个纯粹的窗口去做自注意力。

如何处理拼接窗口，Swin transformer提出利用掩码masked操作

比如这里有一个已经进过移动拼接的14×14×3的特征图，0号窗口占7×7个patch，1号与3号是4×7个patch，2号与6号是3×7个patch，4号4×4，5号和7号是3×4，8号是3×3，一共就是14×14个patch（窗口从左上角分别向右侧和下方各偏移了 M /2 个patch）。

0号窗口是一个完整的窗口，可以直接使用自注意力，3号和6号是属于拼接窗口，它自身不可以直接做自注意力。

所以先执行前面的操作将3号方块和6号方块的patch提取出来，拉长为一个向量A，这个向量A中3号patch的值有4×7=28个，6号patch的值有3×7=21个。再通过向量A进行转置操作得到向量B。通过向量A、B的矩阵乘法进行自注意力计算，得到自注意力矩阵C，矩阵C中可以具体区分成四种类型，分别是：

1. 向量A的所有3号patch值与向量B的所有3号patch值相乘，3×3
2. 向量A的所有3号patch值与向量B的所有6号patch值相乘，3×6
3. 向量A的所有6号patch值与向量B的所有3号patch值相乘，6×3
4. 向量A的所有6号patch值与向量B的所有6号patch值相乘，6×6

其中3×3和6×6是符合自注意力理念的，3×6和6×3是拼接的混乱值，所以我们只需要3×3和6×6的数据，而3×6和6×3是需要masked掉的。

那么如何去处理3号方块+6号方块的窗口呢，Swin transformer提出一个巧妙的思路就是使用一个掩码模板矩阵D，让矩阵C与矩阵D相加，本来矩阵C里的那些数值是很小的值（大概是0点以下的值），3×3和6×6的数据加上0是不会变化的，而3×6和6×3的数据加上-100则会变成一个很大的负数，这是将这些值都进行softmax操作，那么那些负数就会归为0，剩下的也就是我们所需要的3×3和6×6数据。

讲完了3+6窗口那么继续看看1+2窗口，结合上面的思路，可以发现1+2窗口和3+6窗口是很不一样的，这个不一样产生于拉直向量A上。

可以看见向量A里1号patch的值和2号patch的值是交错排序的，这也导致转置向量B以及自注意矩阵C的变化。

主要说说矩阵C的变化，它依然是分成4种类型（1×1,1×2,2×1,2×2），但不再是集中化和区域化了，而是一个横竖条纹围棋格式的矩阵，这种变化也导致了掩码模板矩阵D的设计，由于这种格式比较麻烦，我就没有专门一个个画出来，可以参考一下，Swin transformer提供的掩码模板。

至于4+5+7+8窗口，其实就是3+6和1+2窗口的合体，我就画了一个拉直向量A的图，具体可以自己去理解，需要结合3+6和1+2的规律。具体的掩码模板在上图有。

做完了多头自注意力后，需要把拼接的特征图还原回去，以保证它的相对位置不变，语义信息不变。如果不还原的话，那么循环轮到下一次Blocks模块时，学习的W-MSA是混乱的，学习SW-MSA时又将移动过的特征图继续拆分拼接，向右下角拼接，多轮下来学到的特征会越来越混乱，特征图也会处于不停打乱的状态。

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三、Swin Transformer Blocks模块

Swin Transformer Blocks有两种结构，区别在于窗口多头自注意力的计算一个使用了W-MSA结构，一个使用了SW-MSA结构。而且这两个结构是成对使用的，先使用一个W-MSA结构再使用一个SW-MSA结构。所以堆叠Swin Transformer Block的次数都是偶数（在整体模型里Swin Transformer Blocks下的×2、×6就是因为成对使用的意思）。

结合图片和公式进行前向模拟：

1. 传入输入格式为[H/4n, W/4n, nC]的序列Z^(l-1)。
2. 传入LayerNorm层归一化后执行窗口自注意力W-MSA操作。
3. W-MSA输出与Z^(l-1)相加，输出为Z’^l。
4. 再传入LayerNorm层归一化后执行MLP操作，注意MLP Block输入的通道深度会×4，输出再÷4。
5. MLP输出与Z’^l相加,输出Ｚ^l。
6. 传入输入格式为[H/4n, W/4n, nC]的序列Z^l。
7. 传入LayerNorm层归一化后执行移动窗口自注意力SW-MSA操作。
8. SW-MSA输出与Z^l相加，输出为Z’^l＋１。
9. 再传入LayerNorm层归一化后执行MLP操作。
10. MLP输出与Z’^l＋１相加,输出Ｚ^l＋１。

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四、整体模型理解

前向过程：

1. 输入一张大小为H×W×3大小的图片Images。
2. 执行patch partition，也就是将图片划分为H/4×W/4×48个patch（H/4×W/4×48=H×W×3），但不设置ClS token。
3. 执行Linear Embedding，对每个像素的channel数据做线性变换，也就是说要把向量的维度变成一个预先设置好的值C（C值的设置与它的类型有关，就行resnet有18\34\50\101\152类型），这个C是一个超参数。即将图像的shape由 [H/4, W/4, 48]变成了 [H/4, W/4, C]。输入的数据[H/4, W/4]拉直变成H/4× W/4=HW/16序列长度，C变成每个token的向量维度。
4. 因为[HW/16]个patch的序列长度比较长，比如说输入224×224×3的图片，那么patch就划分为56×56×48，那么序列长度就是3136patch，C为96，对比ViT的196patch来说太长了，所以就引入了给予窗口的自注意力计算。每个窗口一般设为7×7=49个patch的序列长度。
5. [H/4, W/4, C]序列输入Stage1的Block，输出也是 [H/4, W/4, C]，×2。
6. 构建层级式transformer来提取多尺度信息，把Stage1的Block输出的[H/4, W/4, C]传入Patch Merging模块，进行类似池化下采样操作。它执行Patch Merging操作后输出的值是[H/8, W/8, 4C]，模拟卷积模型的通道深度翻倍效果，进行1×1卷积将4C降为2C。
7. [H/8, W/8, 2C]序列输入Stage2的Block，输出也是[H/8, W/8, 2C]，×2。
8. 把Stage3的Block输出的[H/8, W/8, 2C]传入Patch Merging模块，执行Patch Merging操作后输出的值是[H/16, W/16, 8C]，模拟卷积模型的通道深度翻倍效果，进行1×1卷积将8C降为4C。
9. [H/16, W/16, 4C]序列输入Stage3的Block，输出也是[H/16, W/16, 4C]，×6。
10. 把Stage4的Block输出的[H/16, W/16, 4C]传入Patch Merging模块，执行Patch Merging操作后输出的值是[H/32, W/32, 16C]，模拟卷积模型的通道深度翻倍效果，进行1×1卷积将16C降为8C。
11. [H/32, W/32, 8C]序列输入Stage4的Block，输出也是[H/32, W/32, 8C]，×2。
12. 以上就是整体骨干网络， 如果是用于图片分类，为了和卷积神经网络保持一致，Swin Transformer这篇论文并没有像 ViT 一样使用 CLS token，而是接上一个Layer Norm层、全局池化层以及全连接层得到最终输出。(作者这个图里并没有画，因为 Swin Transformer的本意并不是只做分类，它还会去做检测和分割，所以说它只画了backbone的部分，没有去画最后的分类头或者检测头)

参考别的类似图：

五、相对位置偏置Relative Position Bias参数

Swin transformer在做实验的时候，表示做SW-MSA会比只做W-MSA好，做相对位置rel. pos.会比做绝对位置abs. pos.和没有位置no pos.好。

回到论文公式，会发现它的自注意力公式之前我们讲的多了一个+B操作，这个B就是相对位置偏置。

借用并参考这位博主的理解与图

1、假设window的大小M×M是2×2patch，计算window内的自注意力时，先计算相对位置索引，这里的索引并不是偏置B，而是一个构成B的要素。

2、这里要区分出一个概念，就是绝对位置与相对位置，相对位置是可以结合参考系的方式理解，就是参考主体减去自身与参考客体计算而来。

3、不同的参考主体patch都可以计算出一种对应的相对位置索引，将每种计算出来的索引展平并拼接到一个矩阵Ａ，Ａ矩阵大小为(M×Ｍ)²。

４、我们可以观察Ａ矩阵里的相对位置索引分布规律，就比如右边位置的位置概念，红色patch右边是蓝色，以红色为参考主体，蓝色的相对位置是[0,-1]。又比如黄色patch的右边是绿色，相对位置也会是[0,-1]。仔细观察后会发现上下左右，左上左下右上右下等位置概念是相同的索引的。

5、通过对行列做哈希变换，将2D的相对位置索引变为1D以精简计算，作者这里采用的哈希公式是(x+M-1)×(2M-1)+(y+M-1)，其中x为行，y为列号，M为窗口大小。

6、将2D降为1D可以用相加或相乘等简单方法实现，但是会出现重复值，比如说红色patch右方是[0,-1]，下方[-1,0]，在2D时还是较明显的，但是用相加（-1）或相乘（0）时就会出现不同输入却输出相同的干扰，这时可以使用哈希算法来解决这个问题。

7、实现相对位置的特有值，相对位置索引总共有(2M-1)×(2M-1)种，那么就可以随机生成(2M-1)*(2M-1)个随机相对位置偏置(nn.Parameter可学参数)，根据相对位置索引，去获取对应的相对位置偏置，也就是公式里面的B，进行多头自注意力的计算。

六、Swin transformer类别

1. win. sz. 7x7表示使用的窗口（Windows）的大小
2. dim表示feature map的channel深度（或者说token的向量长度）
3. head表示多头注意力模块中head的个数

未完待续。。。