问题

2021年,作为算法工程师的你们会在CV业务落地上用Transformer吗?

回答
2021年,作为算法工程师,在CV(计算机视觉)业务落地上使用Transformer,绝对是非常值得认真考虑,甚至可以说是主流趋势。这已经不是“会用吗?”的讨论,而是“怎么用得更好?”的阶段了。

让我来仔细梳理一下,为什么Transformer在2021年已经成为CV落地的重要技术,以及我们在实际业务中会如何考虑它的应用。

为什么Transformer在CV落地中如此重要?

首先,我们需要明白Transformer的强大之处。它最初在NLP(自然语言处理)领域取得了巨大成功,其核心在于自注意力机制(SelfAttention)。这个机制能够让模型关注输入序列中的任意两个位置之间的关联,而不仅仅是局限于局部邻域(比如CNN中的感受野)。

在CV领域,这种“全局关联”的能力带来了革命性的变化:

1. 打破CNN的局部性限制: 传统的CNN模型,即使层数很深,其信息传递本质上还是通过局部卷积核的堆叠。这使得模型在理解长距离依赖关系方面存在天然的瓶颈。例如,在识别一个场景中的物体时,模型需要理解物体之间的相对位置、大小、遮挡关系,这些信息可能分散在图像的各个角落。Transformer的自注意力机制能够直接计算图像中不同区域(patch)之间的关系,捕捉到这种全局信息。

2. 强大的特征表示能力: Transformer能够学习到非常丰富和上下文相关的特征。通过自注意力,模型可以动态地调整对不同区域的关注度,根据当前处理的内容来生成最优的特征表示。这对于理解复杂的图像内容、处理细节以及区分相似但有细微差别的物体至关重要。

3. 模型架构的统一性: ViT(Vision Transformer)的出现,标志着Transformer首次在纯视觉任务上取得了与SOTA CNN模型相媲美的性能,甚至在某些任务上超越了它们。这意味着我们可以用一套相对统一的Transformer架构,去解决不同的CV问题,而不是为每个任务设计特定的CNN变种。

2021年CV业务落地的考量:Transformer的优势与挑战

到了2021年,Transformer在CV领域已经不再是学术界的“新奇事物”,而是开始逐步走向落地。但任何技术在落地过程中都会面临实际的考量,Transformer也不例外。

Transformer在CV落地的优势:

卓越的性能提升: 对于许多CV任务,如图像分类、目标检测、语义分割、实例分割,Transformer模型(如Swin Transformer、DETR、MaskFormer等)都展现出了领先的性能。如果业务对精度有极高的要求,Transformer是绕不开的选择。
泛化能力强: Transformer通常在大规模数据集上预训练后,在下游任务上微调(finetuning)时表现出很强的泛化能力。这意味着一个在ImageNet上预训练好的Transformer模型,可以相对容易地迁移到其他与图像相关的业务场景。
处理长距离依赖和全局上下文: 这在一些对全局信息敏感的任务中尤为关键。例如:
图像检索/相似性搜索: 需要比较两张图片整体的相似度,Transformer的全局感知能力能更好地捕捉到细微的全局差异。
场景理解/事件识别: 需要理解场景中多个物体及其交互,Transformer能更好地建立这些关联。
医学影像分析: 在某些医学影像中,病灶可能分布广泛,局部特征不足以判断,Transformer的全局视角有助于诊断。
自动驾驶: 理解道路上的复杂交通情况,需要模型关注远处和近处的车辆、行人、交通标志,Transformer的全局性有很大优势。
端到端的可训练性(部分模型): 像DETR这样的模型,将目标检测等任务做成了端到端的Transformer,省去了许多手工设计的组件(如Anchor Boxes、NMS),简化了流程,也可能带来性能提升。

Transformer在CV落地的挑战:

计算资源需求高:
训练成本: Transformer模型,尤其是大型模型,其训练通常需要海量的数据和强大的计算资源(GPU/TPU)。这对于一些中小企业或资源有限的项目来说,是一个不小的门槛。
推理速度: 自注意力机制的计算复杂度与序列长度的平方成正比(O(N^2)),当处理高分辨率图像时,将其分解成大量patch会使得序列长度过长,导致推理速度变慢,内存占用也高。
数据依赖性: Transformer模型,特别是ViT,在小数据集上表现可能不如CNN。它更偏爱大规模、多样化的数据集来学习其强大的表示能力。如果在业务场景中数据量有限,直接使用大规模预训练模型进行微调是更现实的选择。
内存占用: Transformer的注意力矩阵在训练和推理过程中会占用大量内存,这也是高分辨率图像处理时的瓶颈。
对硬件和软件库的依赖: 充分发挥Transformer的性能,通常需要最新的深度学习框架(如PyTorch 1.7+,TensorFlow 2.x+)和优化的硬件驱动。
模型复杂度与可解释性: 虽然Transformer的性能强大,但其内部机制,特别是注意力权重,在某些业务场景下可能需要一定的解释性来满足合规性或调试需求。

2021年,我们(算法工程师)会在CV业务落地上如何使用Transformer?

基于上述的优势与挑战,我们在2021年落地CV业务时,会采取策略性的、务实的方式来应用Transformer:

1. 基于预训练模型进行微调(Finetuning):
首选策略: 这是最普遍、最有效的方式。利用在ImageNet21k、JFT300M等大规模数据集上预训练好的Transformer模型(如ViT、Swin Transformer、BeiT等),在我们的业务数据集上进行微调。
模型选择: 根据业务需求选择合适的预训练模型。例如,Swin Transformer由于其层次化设计,在继承Transformer全局建模能力的同时,在计算效率和内存占用上做了优化,更适合作为CNN的替代或补充。
微调策略: 针对具体任务(分类、检测、分割)选择合适的Transformer变种(如DETR系列用于检测,MaskFormer用于分割),并采用标准的微调策略,可能包括调整学习率、使用更小的batch size、加入数据增强等。

2. 混合模型(Hybrid Models):
结合CNN的优势: 在一些对计算资源或模型大小有严格限制,或者数据量相对较小的场景下,我们可能会考虑将CNN与Transformer结合。
实现方式:
CNN作为特征提取器,Transformer作为全局建模器: 用CNN(如ResNet、EfficientNet)提取图像的低级特征,然后将这些特征展平或reshape成序列,输入到Transformer中进行全局建模。这种方式能够充分利用CNN在提取局部细节和边缘信息上的优势,同时用Transformer捕捉长距离依赖。
Transformer与CNN并行: 在网络的不同阶段,同时使用CNN和Transformer提取特征,然后将它们的特征融合。
优势: 这种混合模型往往能在性能和效率之间找到一个更好的平衡。

3. 针对Transformer进行模型优化和剪枝:
解决推理效率问题: 如果直接使用大型Transformer模型推理速度不达标,我们会考虑模型优化技术:
模型剪枝(Pruning): 移除冗余的连接或注意力头。
量化(Quantization): 将模型参数从浮点数转换为低比特整数,减少模型大小和计算量。
知识蒸馏(Knowledge Distillation): 用一个大型的Transformer模型(Teacher)来训练一个小型、高效的模型(Student),使其在保持较高性能的同时,推理速度更快。
结构化搜索/设计: 寻找更高效的Transformer变体,例如前面提到的Swin Transformer,或者一些基于稀疏注意力、低秩近似的Transformer。

4. 关注特定CV任务的Transformer变种:
目标检测: DETR(DEtection TRansformer)及其后续改进(如Conditional DETR, Deformable DETR, DINO)是重要的落地方向,它们端到端地完成了目标检测,省去了很多手工设计的组件。
语义分割/实例分割: MaskFormer、Mask2Former等模型,也采用了Transformer的思想,为像素级的预测任务带来了新的思路。
图像生成/风格迁移: Diffusion Models(如DALLE2, Stable Diffusion)虽然内部也有Transformer组件,但它们是更复杂的生成模型。在2021年,Transformer在图像生成方面,通常是作为强大的特征提取器或者建模器,与GANs等技术结合。

5. 数据预处理和策略:
Patching 策略: 对于高分辨率图像,如何将图像分割成合适的Patch大小,以及如何处理Patch之间的重叠和位置信息,对Transformer的性能至关重要。
位置编码: 选择合适的位置编码(如Sinusoidal Positional Encoding, Learned Positional Embeddings, Relative Positional Embeddings)对于Transformer的有效性至关重要。

实际应用中的例子

举个例子,如果我们公司的业务是在线电商的商品图片识别与搜索。

问题: 用户上传一张图片,我们需要识别图片中的商品,并找到类似的商品。这需要强大的图像理解能力,能够捕捉到商品的细节、材质、款式,以及全局的搭配。
落地思路:
1. 基础模型: 我们不会从头开始训练一个Transformer。我们会选择一个在大型图像数据集上预训练好的Swin Transformer Large模型。
2. 微调: 利用我们电商平台积累的海量商品图片数据,对Swin Transformer进行微调,目标是商品分类(识别商品类别)和商品相似性学习(通过提取的特征向量进行比对)。
3. 优化: 由于商品图片数量巨大,我们对搜索的响应速度有较高要求。我们会尝试对微调后的Swin Transformer进行量化(比如INT8量化),以加速推理。同时,也会考虑使用知识蒸馏,训练一个更小的EfficientNetB3来模仿Swin Transformer的性能,以适应更广泛的部署环境。
4. 处理长图/大图: 对于一些可能包含多件商品的组合图,Swin Transformer的全局注意力机制能够帮助模型理解这些商品的相互关系,而不仅仅是孤立地识别单个商品。

总结

在2021年,作为算法工程师,我们一定会在CV业务落地中考虑并应用Transformer。它不再是“是否需要”的问题,而是“如何最有效地应用”的问题。我们将根据具体的业务场景、数据量、计算资源以及性能要求,灵活选择纯Transformer模型、混合模型、模型优化技术,并重点关注针对特定CV任务的Transformer变种。Transformer为CV领域带来了前所未有的强大能力,是提升产品竞争力的关键技术之一。

网友意见

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时至今日,ImageNet的结论已经不可信了,各种trick实在太多,混在里面无法分辨是trick调得好还是网络结构真的有用。

建议大佬们试试人脸识别,人脸识别模式简单数据量大,在目前人脸识别的数据集上,除了镜像翻转,啥trick都不好使。那要是transformer能比resnet更强,可比ImageNet有说服力多了。

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1.所有的Transformer,有一个算一个,敢去掉gelu(其实就是swish变种),去掉300 epoch,去掉mixup/cutmix/randaug,把优化器重新换回SGD来训练么?做实验最基本的单一变量法都不会了?

2.因为Transformer本身就带attention,所以如果要比经典结构,至少要和那些带了se或者其他attention结构的论文比吧。

3.某些Transformer的论文,用开源的thop库来测FLOPs,结果计算量最大的MHSA部分因为没有op定义,所以直接不计入FLOPs,确定没在开玩笑?

4.Transformer目前能看到的优势,相同FLOPs下的参数量更小(3*3卷积替换成MHSA,参数量显然减少了),对极度变态的数据更鲁棒(CNN遮挡30%基本就凉了,Transformer甚至能搞定擦除50%的数据)。

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11.27日更新

经过几个月的实验,现在已成功将vit落地。

1.Vit这种结构虽然争议比较大,但在实际业务中相较cnn提升还是很明显,当然也十分难调;

2.实际部署也比较容易,整体结构并没有什么奇奇怪怪的op,性能这方面还是看业务需要,如果对inference time有较高要求,但是又没法在比较好的GPU卡上部署,那要不做量化、要不就换vit的结构(提高patch size、减小vit层数等等);


做的细粒度检索,目前在无监督预训练方向,vit的检索效果超过cnn一大截(vit s对比res50),正在尝试finetune效果,如果能达到同比的增长,就有可能落地。

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