问题

如何评价Facebook AI提出的ResMLP,对比Google的MLP-Mixer?

回答
Facebook AI 的 ResMLP 和 Google 的 MLPMixer 都是在 Transformer 架构之外,探索仅使用多层感知机(MLP)实现强大的视觉表示学习的开创性工作。虽然它们都试图打破卷积神经网络(CNN)和 Transformer 的主导地位,但它们在设计理念、具体实现以及最终效果上都有显著的差异。

核心思想的对比:

MLPMixer 的核心思想: MLPMixer 的核心在于将 Transformer 的“注意力机制”替换成一种更简单、更通用的“MLP 混合”操作。它将图像分成小的 patch(如同 Transformer 的 token),然后通过两个独立的 MLP 块在 patch 之间和 patch 内部进行信息交互。
TokenMixing MLP: 这一层 MLP 负责在不同的 patch(token)之间进行信息交换。它将每个 patch 视为一个独立的“token”,然后通过一个 MLP 来学习不同 token 之间的依赖关系。这在某种程度上模仿了 Transformer 的自注意力机制,但计算效率更高。
ChannelMixing MLP: 这一层 MLP 负责在同一个 patch 内部,对不同的“通道”(特征维度)进行信息交互。它将一个 patch 的所有通道视为一个“序列”,然后通过另一个 MLP 来学习通道之间的关系。这类似于 Transformer 的前馈网络(FFN)块。
核心优势: MLPMixer 的设计非常简洁,摆脱了复杂的 Softmax 和点积运算,理论上更易于并行化和部署。它证明了仅通过 MLP 就可以在图像识别任务上取得不错的效果,这为后来的研究开辟了新思路。

ResMLP 的核心思想: ResMLP 更直接地将 MLP 的能力推向极致,通过深度和残差连接来增强 MLP 的表达能力。它摒弃了 Transformer 中复杂的全局信息聚合机制(如自注意力),而是专注于通过一系列密集连接的 MLP 层以及残差连接来构建强大的视觉表示。
深层 MLP 结构: ResMLP 采用了非常深的 MLP 结构,每一层都由一个线性变换、一个激活函数(如 GELU)和一个残差连接组成。这种深度可以使得 MLP 学习到更复杂的非线性映射。
线性层 + GELU + 残差连接: 这是 ResMLP 的基本构建块。通过堆叠大量的这种块,模型能够捕获图像中的局部和全局特征。
核心优势: ResMLP 的设计更加“纯粹”,因为它完全依赖于 MLP 的能力,并且通过残差连接有效地缓解了深度网络中的梯度消失问题。它的简洁性也使其在某些方面比 MLPMixer 更加直观。

技术实现上的差异:

| 特征 | MLPMixer | ResMLP |
| : | : | : |
| 信息交互方式 | Patch 级别的混合(TokenMixing MLP)和通道级别的混合(ChannelMixing MLP)。信息在 patch 之间和 patch 内部进行分别处理。 | 层层递进的 MLP 映射。信息在每一层 MLP 中被整体处理,通过深度和残差连接来逐步提炼表示。 |
| 结构组件 | Patch embedding、Positional embedding(可选,但通常需要)、TokenMixing MLP、ChannelMixing MLP、Layer Normalization、Residual Connections。 | Linear layer、GELU activation、Residual Connection。其核心是堆叠大量“Linear + GELU + Residual”块。 |
| 空间信息处理 | 将图像分割成 patch,然后对 patch 进行序列化处理,其位置信息通过 positional embedding 来体现。TokenMixing MLP 负责处理不同 patch 间的空间关系。 | 早期版本的 ResMLP 也可能涉及 patch embedding,但其核心是 MLP 自身学习空间信息。更重要的是,每一层的 MLP 都会对整个特征图进行处理,并且残差连接可以保留低层级的空间信息,让高层级的 MLP 能够在此基础上进行更复杂的空间推理。 |
| 计算复杂度 | TokenMixing MLP 的计算复杂度与 patch 的数量(N)和隐藏层维度(D)相关,通常是 O(N D^2)。ChannelMixing MLP 的计算复杂度与 patch 的大小(P)和隐藏层维度(D)相关,通常是 O(P D^2)。 | 主要复杂度来自于大量的线性层。如果 MLP 宽度为 D,则每层复杂度为 O(D^2)。由于深度很深,总复杂度可能很高,但其并行性可能优于 Transformer 的自注意力。 |
| 全局/局部依赖 | 通过 TokenMixing MLP,MLPMixer 能够捕捉全局依赖(不同 patch 之间的关系)。ChannelMixing MLP 关注局部(同一 patch 内部)。 | ResMLP 通过深层的 MLP 结构,理论上可以同时学习局部和全局的依赖。每一层 MLP 都可以看作是对输入特征的一种复杂变换,通过堆叠,能够聚合更广泛的信息。 |
| 对 Transformer 的模仿程度 | 试图用 MLP 模块直接模拟 Transformer 的关键组件(自注意力、FFN)。 | 目标是完全抛弃 Transformer 的所有组件,仅用 MLP 达到类似甚至更好的效果。 |

性能和效率的对比:

精度: 在 ImageNet 等标准图像识别基准上,MLPMixer 和 ResMLP 都取得了与当时的一些 CNN 和 Transformer 相媲美的性能。
MLPMixer: 在同等参数量下,MLPMixer 的性能通常优于一些纯 CNN 模型,但与同代的 Transformer(如 ViT)相比,在大型数据集上可能稍显不足,或者需要更深的结构和更多的训练数据来赶超。
ResMLP: ResMLP 的一个突出特点是其在特定配置下(尤其是在较小的模型尺寸和较快的训练速度方面)表现出了非常强的竞争力。研究表明,通过仔细调整 MLP 的深度和宽度,ResMLP 可以在参数量相似的情况下,比 MLPMixer 甚至一些 Transformer 模型更快地收敛,并且达到不错的精度。它更强调“回归”到 MLP 的强大基础能力。

效率:
训练速度: ResMLP 的一个主要亮点是其高效的训练速度。由于其结构简单,没有复杂的 softmax 或矩阵乘法,并且可以很好地利用 GPU 的并行计算能力,因此在同等模型大小下,ResMLP 通常比 MLPMixer 和 ViT 更快收敛。
推理速度: 推理速度方面,两者都旨在提供比 Transformer 更快的推理速度。ResMLP 由于其纯粹的 MLP 结构,理论上具有更好的推理效率。
对硬件的友好性: 两者都比 Transformer 的自注意力机制更适合在缺乏复杂计算单元(如 Tensor Core)的硬件上运行,或者在需要低延迟推理的场景下表现更好。

总结评价:

MLPMixer: 是一项具有里程碑意义的工作,它成功地证明了 “MLP 也可以做到”。它通过一种新颖的 MLP 混合机制,巧妙地模拟了 Transformer 的信息交互方式,为后续仅使用 MLP 的视觉模型开辟了道路。它的设计思路是将全局信息(patch 之间的关系)和局部信息(通道之间的关系)解耦,分别用 MLP 来处理,是一种非常有创意的尝试。

ResMLP: 则是一次对 “纯粹 MLP 的极致探索”。它没有试图模仿 Transformer 的具体结构,而是通过加深 MLP 的层数和利用残差连接,来释放 MLP 本身的潜力。ResMLP 的成功之处在于,它用一种更“朴素”的方式,在效率和性能上都取得了非常亮眼的成绩,尤其是其快速收敛的特性,为实践带来了极大的价值。它展示了,即便没有显式的全局信息聚合机制,深度 MLP 依然能够通过层层递进的非线性变换,捕获图像中的丰富信息。

两者在更大范畴内的意义:

这两项工作共同推动了 “后 Transformer 时代” 的视觉模型研究。它们证明了:

1. Transformer 不是唯一的强大工具: 视觉表征学习不一定非要依赖于 Transformer 的自注意力机制。
2. MLP 的复兴: 经过精心设计的 MLP,配合深层结构和残差连接,可以具备强大的建模能力。
3. 模型设计的多元化: 为研究者提供了新的思路,去探索更简洁、更高效、更易于部署的视觉模型架构。

后续影响:

MLPMixer 和 ResMLP 的出现,极大地激发了后续的研究,例如:

S^2MLP、ConvMLP: 结合了卷积和 MLP 的思想,试图在 MLP 的基础上引入局部感受野的优势。
MetaFormer、PoolFormer 等: 进一步探索了各种轻量级的、不依赖于 Transformer 自注意力的通用骨干网络。

可以说,MLPMixer 和 ResMLP 是各自探索方向上的杰出代表,它们都成功地挑战了 Transformer 的统治地位,并为未来视觉模型的发展奠定了重要的基础。选择哪一个取决于具体的应用场景、对模型效率和精度的侧重,以及硬件资源的限制。

网友意见

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不管大家如何嘲讽,Google Brain和Facebook AI的地位无可撼动。

和Google的MLP-Mixer的区别主要有三点:

  1. 把LayerNorm层换成了LayerScale层,其实就是去掉了norm操作;
  2. ResMLP的本意是将self-attention替换成MLP,而self-attention后面的FFN本身就是一个MLP,这样就和Google的MLP-Mixer一样了,但是最终实验发现替换self-attention的MLP中间隐含层的维度越大反而效果越差,索性就直接简化成a simple linear layer of size N × N;
  3. 不需要在大数据上pretrain,用training strategy (heavy data-augmentation and optionally distillation)来得到好的performance。
       # No norm layer                                                                                                                              class Affine(nn.Module):     def __init__(self, dim):         super().__init__()         self.alpha = nn.Parameter(torch.ones(dim))         self.beta = nn.Parameter(torch.zeros(dim))     def forward(self, x):          return self.alpha * x + self.beta  # MLP on channels class Mlp(nn.Module):     def __init__(self, dim):         super().__init__()         self.fc1 = nn.Linear(dim, 4 * dim)         self.act = nn.GELU()         self.fc2 = nn.Linear(4 * dim, dim)     def forward(self, x):          x = self.fc1(x)         x = self.act(x)         x = self.fc2(x)         return x  # ResMLP blocks: a linear between patches + a MLP to process them independently class ResMLP_BLocks(nn.Module):     def __init__(self, nb_patches ,dim, layerscale_init):         super().__init__()         self.affine_1 = Affine(dim)         self.affine_2 = Affine(dim)         self.linear_patches = nn.Linear(nb_patches, nb_patches) #Linear layer on patches         self.mlp_channels = Mlp(dim) #MLP on channels         self.layerscale_1 = nn.Parameter(layerscale_init * torch.ones((dim))) #LayerScale         self.layerscale_2 = nn.Parameter(layerscale_init * torch.ones((dim))) # parameters     def forward(self, x):          res_1 = self.linear_patches(self.affine_1(x).transpose(1,2)).transpose(1,2))         x = x + self.layerscale_1 * res_1         res_2 = self.mlp_channels(self.affine_2(x))         x = x + self.layerscale_2 * res_2         return x  # ResMLP model: Stacking the full network class ResMLP_models(nn.Module):     def __init__(self, dim, depth, nb_patches, layerscale_init, num_classes):         super().__init__()         self.patch_projector = Patch_projector()         self.blocks = nn.ModuleList([         ResMLP_BLocks(nb_patches ,dim, layerscale_init)         for i in range(depth)])         self.affine = Affine(dim)         self.linear_classifier = nn.Linear(dim, num_classes)     def forward(self, x):         B, C, H, W = x.shape         x = self.patch_projector(x)         for blk in self.blocks:             x = blk(x)         x = self.affine(x)         x = x.mean(dim=1).reshape(B,-1) #average pooling         return self.linear_classifier(x)     
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走来走去,怕是最后都要走回当年提取局部patch的斑点或者特征点,再用各种编码方式进行aggregate的老路了。

BoW is all you need。

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