Swin Transformer的继任者（下）

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GG-Transformer

上海交大提出的GG Transformer其主要思路是改变window的划分方式，window不再局限于一个local region，而是来自全局。这里提出的一个操作是AdaptivelyDilatedSplitting，即window的token是通过以一定的adaptive dilation rate 来采样获得，下面是一个实例（2x2个windows）：

如果这样划分window，那么window attention将具有全局视野，但是相邻的patchs之间缺乏交互，所以GG Transformer又增加了一个额外的Gaze分支：先将attention中的values进行Merging操作，其实就是AdaptivelyDilatedSplitting的逆变换，那么将得到正常的tokens排列，然后通过一个depth-wise conv来提取局部信息，再通过AdaptivelyDilatedSplitting操作得到和attention一样的windows，再加上attention后的特征即可：

论文里将这种结构分成Glance和Gaze两个分支，分别用来提取全局和局部信息，类比人类的Glance and Gaze行为。这里的AdaptivelyDilatedSplitting其实可以通过前面说的shuffle操作来实现，后面要讲的Shuffle Transformer也是一样的原理。论文中也没有提到位置编码，估计Gaze分支的卷积可以隐式地编码位置信息。

在ImageNet上，GG-Transformer在同样的参数和算力下，其模型效果要优于Swin模型：

在COCO数据集上，基于Mask R-CNN，其模型效果也要优于Swin：

image.png-214.9kB

Shuffle Transformer

腾讯提出的Shuffle Transformer其核心思路是通过spatial shuffle来建立cross-window之间联系。这里的spatial shuffle和ShuffleNet中的channel shuffle类似，通过spatial shuffle可以将来自不同windows的token组成新的window：

这个实现上应该是和AdaptivelyDilatedSplitting等价的，另外MSG Transfomer也是通过MSG tokens的channel shuffle来建立不同windows间的联系。它们的实现都是类似的：reshape->transpose->reshape。开源代码也给出了具体实现：

       if self.shuffle:
            q, k, v = rearrange(qkv, 'b (qkv h d) (ws1 hh) (ws2 ww) -> qkv (b hh ww) h (ws1 ws2) d', h=self.num_heads, qkv=3, ws1=self.ws, ws2=self.ws)
            # 这里其实是三种操作
            # reshape: qkv = qkv.reshape(b, 3, h, d, ws1, hh, ws2, ww)
            # transpose：qkv = qkv.transpose(1, 0, 5, 7, 2, 4, 6, 3)
            # reshape: q, k, v = qkv.reshape(3, b*hh*ww, h, ws1*ws2, d)
        else:
            q, k, v = rearrange(qkv, 'b (qkv h d) (hh ws1) (ww ws2) -> qkv (b hh ww) h (ws1 ws2) d', h=self.num_heads, qkv=3, ws1=self.ws, ws2=self.ws)
            # 注意正常window split与shuffle版本的区别，第一步reshape有区别

与Swin Transformer模型类似，Shuffle Transformer交替地采用标准的WMSA和shuffle SWMSA：

可以看到，Shuffle Transformer在WMSA操作后增加了一个NWC操作，这个其实是一个depthwise conv，其kernel size和window size一样，用于增强Neighbor-Window Connection。

class Block(nn.Module):    def __init__(self, dim, out_dim, num_heads, window_size=1, shuffle=False, mlp_ratio=4., qkv_bias=False, qk_scale=None, drop=0., attn_drop=0.,                 drop_path=0., act_layer=nn.ReLU6, norm_layer=nn.BatchNorm2d, stride=False, relative_pos_embedding=False):        super().__init__()        self.norm1 = norm_layer(dim)        self.attn = Attention(            dim, num_heads=num_heads, window_size=window_size, shuffle=shuffle, qkv_bias=qkv_bias, qk_scale=qk_scale,             attn_drop=attn_drop, proj_drop=drop, relative_pos_embedding=relative_pos_embedding)

        # NWC        self.local = nn.Conv2d(dim, dim, window_size, 1, window_size//2, groups=dim, bias=qkv_bias)        self.drop_path = DropPath(drop_path) if drop_path > 0. else nn.Identity()        self.norm2 = norm_layer(dim)        mlp_hidden_dim = int(dim * mlp_ratio)        self.mlp = Mlp(in_features=dim, hidden_features=mlp_hidden_dim, out_features=out_dim, act_layer=act_layer, drop=drop, stride=stride)        self.norm3 = norm_layer(dim)        print('input dim={}, output dim={}, stride={}, expand={}, num_heads={}'.format(dim, out_dim, stride, shuffle, num_heads))

    def forward(self, x):        x = x + self.drop_path(self.attn(self.norm1(x)))        x = x + self.local(self.norm2(x)) # local connection        x = x + self.drop_path(self.mlp(self.norm3(x)))        return x

从结构上看，Shuffle Transformer几乎和Swin Transformer一样。在ImageNet数据集上，同等条件上Shuffle Transformer相比Swin提升明显：

在COCO数据集上，基于Mask R-CNN，Shuffle Transformer和Swin性能不相上下：

后话

可以看到，这四个模型和Swin Transformer本质上都是一种local attention，只不过它们从不同地方式来增强local attention的全局建模能力。而且，在相似的参数和计算量的条件下，5种模型在分类任务和dense任务上表现都是类似的。近期，微软在论文Demystifying Local Vision Transformer: Sparse Connectivity, Weight Sharing, and Dynamic Weight上系统地总结了Local Vision Transformer的三大特性：

  • Sparse connectivity：每个token的输出只依赖于其所在local window上tokens，而且各个channel之间是无联系的；（这里忽略了attention中query，key和valude的linear projections，那么attention就其实可以看成在计算好的权重下对tokens的特征进行加权求和，而且是channel-wise的）
  • Weight sharing：权重对于各个channel是共享的；
  • Dynamic weight：权重不是固定的，而是基于各个tokens动态生成的。

那么local attention就和Depth-Wise Convolution就很相似，首先后者也具有Sparse connectivity：只在kernel size范围内，而且各个channel之间无连接。而Depth-Wise Convolution也具有weight sharing，但是卷积核是在所有的空间位置上共享的，但不同channle采用不同的卷积核。另外depth-wise convolution的卷积核是训练参数，一旦完成训练就是固定的，而不是固定的。另外local attention丢失了位置信息，需要位置编码，但是depth-wise convolution不需要。下图是不同操作的区别：

论文中也设计了基于depth-wise convolution的模型，和Swin模型结构类似：

在ImageNet数据集上，DW-Conv模型效果和Swin模型相当（这里D-DW-Conv增加了动态权重的特性，类似SE模块来动态生成kernel weights）：

从这项研究来看，设计好的Conv模型在性能上也是可以和local attention模型匹敌的，也许local attention模型反而退化到了CNN模型。一点体外话是之前的CNN模型一般常采用3x3和1x1比较小的卷积核，但是这里采用7x7的卷积核反而大幅度提升模型效果（相比ResNet50），这里也值得深思。

参考

  1. Shuffle Transformer: Rethinking Spatial Shuffle for Vision Transformer
  2. Twins: Revisiting the Design of Spatial Attention in Vision Transformers
  3. Glance-and-Gaze Vision Transformer
  4. MSG-Transformer: Exchanging Local Spatial Information by Manipulating Messenger Tokens
  5. Pyramid Vision Transformer: A Versatile Backbone for Dense Prediction without Convolutions
  6. Swin Transformer: Hierarchical Vision Transformer using Shifted Windows
  7. Demystifying Local Vision Transformer: Sparse Connectivity, Weight Sharing, and Dynamic Weight.
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