问题

如何理解 Swin Transformer 和 Vision Transformer不同任务上的差异?

回答
咱们来聊聊 Vision Transformer (ViT) 和 Swin Transformer 在不同任务上的区别,争取讲得透彻点,就像跟你老友在咖啡馆里聊技术一样。

首先,得明白这两位都是基于 Transformer 架构的,也就是那个在 NLP 领域大杀四方的“注意力”机制。Transformer 的核心思想是,一个词(或者在这里是图像的一个“块”)可以通过“注意力”来理解它和序列中其他词(块)之间的关系。ViT 算是把这个思想第一次成功地搬到了计算机视觉领域,而 Swin Transformer 则是对 ViT 的一个重要改进,让它在实际应用中更加灵活和高效。

核心区别:ViT 的“全局”与 Swin 的“局部”+“层级”

要理解它们在不同任务上的差异,最关键的是抓住它们在处理图像信息时的基本策略不同。

Vision Transformer (ViT):
基本思路: ViT 直接把图像切成一系列固定大小的“块”(patches),然后把这些块当成 NLP 中的“词”,输入到 Transformer 中。
最大的特点: 它的注意力机制是全局的。也就是说,每一个图像块在计算注意力时,都会和其他所有图像块产生关联,无论它们在图像中的距离有多远。
想象一下: 你把一张照片打散,变成很多小拼图块。ViT 做的就是,在处理其中一个拼图块的时候,它会同时看看所有其他的拼图块,去理解这个块和其他块的联系。
优点: 理论上,这种全局信息聚合能力很强,能够捕捉到图像中长距离的依赖关系,比如物体整体的结构。
缺点:
计算量大: 随着图像分辨率的提高,块的数量会平方级增长,全局注意力机制的计算量会爆炸式增加。这导致 ViT 在处理高分辨率图像时效率低下,或者需要大量计算资源。
位置编码的挑战: 为了让 Transformer 知道块在图像中的位置,ViT 需要引入位置编码。原始的 ViT 使用的是固定的、可学习的位置编码,这在一定程度上限制了模型的泛化能力,尤其是在处理不同尺寸或分辨率的图像时。
缺乏局部性归纳偏置: CNN 的卷积核天然地带有局部感受野的归纳偏置,擅长捕捉局部特征(比如边缘、纹理)。ViT 缺乏这种天生的局部性,需要通过大量的训练数据和巨大的模型才能“学到”这些局部特征。

Swin Transformer (Shifted Window Transformer):
基本思路: Swin Transformer 借鉴了 CNN 的思想,引入了局部注意力和层级化特征表示。
核心创新:
1. 窗口内注意力 (Windowed SelfAttention): Swin Transformer 不再计算全局注意力,而是将图像划分为互不重叠的局部窗口。注意力机制只在这些小窗口内部计算。
2. 移位窗口 (Shifted Window): 为了打破窗口之间的信息孤岛,Swin Transformer 在不同的 Transformer 层中,会移动(或者说“错开”)这些窗口。这样,下一层的窗口就能包含上一层不同窗口的信息,从而实现跨窗口的信息交流。
3. 层级化结构 (Hierarchical Structure): Swin Transformer 逐步降低特征图的分辨率,同时增加特征通道数。这有点像 CNN 的特征金字塔,能够提取不同尺度的特征,非常适合处理图像的局部和全局信息。
想象一下: 还是那些小拼图块。Swin Transformer 做的,是先把拼图块分成一小组一小组的。然后,它在一个小组里看看这些块之间的关系。接着,它偷偷地移动一下分组的边界,让下一轮处理时,新的小组能够把上一轮被隔开的块也考虑进来。同时,它还会逐渐把小拼图块“合并”成更大的区域,就像 CNN 先抓边缘,再抓形状一样。
优点:
计算效率高: 由于注意力仅在局部窗口内计算,计算量与图像分辨率的线性关系,而不是平方关系。这使得 Swin Transformer 可以高效地处理高分辨率图像,并且参数量更少。
捕捉局部和全局信息: 移位窗口机制有效地实现了跨窗口连接,允许局部特征进行更广泛的交互。层级化结构则使其能够自然地学习到不同尺度的特征,既有局部细节,也有全局上下文。
更强的归纳偏置: 局部窗口和移位窗口的设计,一定程度上弥补了 ViT 缺乏局部性归纳偏置的缺点,让模型更容易学习到图像的结构信息。
适用于多种视觉任务: Swin Transformer 的层级化和对不同尺度特征的良好捕捉能力,使其在下游任务中表现出色,如目标检测、语义分割等,这些任务往往需要精细的局部信息和全局上下文的结合。

在不同任务上的差异表现

基于以上核心区别,我们在不同任务上的表现就能看出端倪了:

1. 图像分类 (Image Classification):
ViT: 在大规模数据集(如 ImageNet21k, JFT300M)上进行预训练后,ViT 在图像分类任务上表现出了超越 CNN 的潜力。它的全局注意力机制可以很好地捕捉到图像的整体内容和长距离依赖,对于那些依赖整体信息进行分类的任务(比如识别一个完整的物体)效果不错。
Swin Transformer: Swin Transformer 在图像分类任务上同样表现出色,并且通常在中等分辨率(如 ImageNet1k)的数据集上,即使不进行大规模的预训练,也能取得非常好的效果。这是因为它结合了局部特征的捕捉和层级化的信息聚合,对图像的结构信息有更好的理解。它能够更有效地处理不同大小的物体和图像内容,泛化性更强。

2. 目标检测 (Object Detection):
ViT: 早期将 ViT 应用于目标检测时,面临一些挑战。由于 ViT 的输入是固定大小的块,并且缺乏 CNN 的层级化特征表示,它难以有效地生成不同尺度的特征图,这对于检测大小不一的目标来说是个劣势。需要设计更复杂的上采样和下采样模块来适应。
Swin Transformer: Swin Transformer 的层级化设计是其在目标检测领域大放异彩的关键。它可以自然地输出多尺度的特征图,就像 CNN 的骨干网络一样。第一层可以处理细节信息(用于小目标),后面层可以处理更全局的信息(用于大目标)。窗口内的局部注意力也更适合捕捉目标物体的局部边界和纹理。移位窗口机制则能有效地将不同区域的特征融合,提升对目标整体形状的感知。因此,Swin Transformer 作为骨干网络,在 COCO 等数据集上取得了 SOTA 的结果。

3. 语义分割 (Semantic Segmentation):
ViT: 在语义分割任务中,ViT 同样面临需要精细局部信息和不同尺度特征的问题。全局注意力在某些情况下可能过于“模糊”像素级别的细节,难以精确地分割物体的边界。
Swin Transformer: Swin Transformer 的优势在这里更加明显。它的层级化特征能够有效地捕获从低层级的精细边缘信息到高层级的语义上下文信息。窗口内的注意力能够更好地保留局部的空间信息,这对于像素级的分类至关重要。而移位窗口的引入,使得不同区域的像素能够进行上下文的交流,从而帮助模型理解像素在全局图像中的位置和关系,实现更准确的分割。Swin Transformer 在 ADE20K、Cityscapes 等数据集上,作为分割的骨干网络,也取得了非常优异的成绩。

4. 其他下游任务(如姿态估计、图像生成等):
ViT: 对于依赖全局上下文的任务,ViT 可能有优势。
Swin Transformer: 对于大多数需要精细局部信息和多尺度特征的任务,Swin Transformer 都展现出更强的适应性和更好的性能。例如,在姿态估计中,Swin Transformer 的层级化特征可以更好地捕捉骨骼关键点的局部信息,同时通过移位窗口的上下文融合来理解整体姿态。

总结一下:

ViT: 是一种“简单粗暴”但潜力巨大的方法,直接将 Transformer 的全局注意力机制应用于视觉。它在大规模数据集上预训练后,能在一些分类任务上达到顶级水平,但计算效率和对局部细节的处理相对较弱。
Swin Transformer: 是一种“聪明高效”的改进,巧妙地结合了局部窗口注意力和移位窗口机制,并引入了层级化特征。这使得它在保持 Transformer 强大建模能力的同时,解决了 ViT 的计算效率问题,并且更好地适应了视觉任务对局部性和多尺度特征的需求。因此,Swin Transformer 在目标检测、语义分割等更复杂的下游任务中,表现出了更强的通用性和更优异的性能。

简单来说,如果把图像看作是一篇文章,ViT 就像是让你读完整篇文章,理解每个词和所有其他词的关系,然后再去完成任务。而 Swin Transformer 则是让你先读完每个句子(窗口),然后把句子之间也进行一些关联(移位窗口),并且还能通过不同“段落”(层级)来理解文章的整体结构。后一种方法在处理复杂、多层次的任务时,通常更有效率,也更容易学到精髓。

网友意见

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基于个人经验说个,vit的方案在疏松的数据上不行,比如sketch、colormap。

以前只是基于猜想,前段时间做了实验测试。16x16和直接的projection对于大部分自然数据的确是足够的,但是有些数据就是不够。具体可以拿16x16的格子对着数据比较。如果格子间的内容数据几乎差不多,那么就很依赖来自位置的global推理了,对数据增强和数据量都有要求。我猜flower可能就有这样的情况。而imagenet-skhtch的sketch不够稀疏,去掉shade可能就不一样了(似乎又可以搞篇文章)。

另外数据任务对global和local任务要求的情况也有关,但是这个衡量起来就比较难说清楚了。

我自己用的解决方法是,conv downsampling取代projection,然后配合数据稠密化,效果就好了。

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在大规模数据集上训练,应该vit的优势可能会显现出来,毕竟swin只是一种local attention net,理论上建模效果会比vit这种global attention net要差一些。

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