Swin Transformer：将卷积网络和 Transformer 结合

Swin Transformer：将卷积网络和 Transformer 结合

• • 网络结构
  • • 层次化设计
    • Swin Transformer 块
    • W-MSA、SW-MSA
    • 环状 SW-MSA

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前置知识：ViT：视觉 Transformer

论文地址：https://arxiv.org/abs/2106.13230

代码地址：https://github.com/SwinTransformer/Video-Swin-Transformer

网络结构

Transformer 在视觉上的问题：

• 如果图像尺寸变化大，性能不稳定，时好时坏
• 在像素点多的图像上，全局注意力计算量要大于 CNN

Swin 是滑动窗口的缩写。

用滑动窗口让注意力机制，在局部范围内（减少计算量），同时跨窗口的连接（保持全局信息）。

Swin Transformer 和 ViT 对比图：

滑动窗口能实现卷积网络的效果，对局部特征的提取，大大节省计算量。

层次化设计

网络结构，采用层次化设计：

图（a），从左往右看：

• Patch Partition：先把图像切分为固定大小的图像块
• Linear Embeding：进行嵌入位置向量
• Basic Layer：再分 4 个阶段，每个阶段都在缩小分辨率（从 $\frac{1}{4}$ 到 $\frac{1}{8}$、$\frac{1}{16}$、$\frac{1}{32}$），感受野会逐步扩大，从关注线条、斑点、色彩，到眼睛、鼻子、头发，再到整个脸

图像没变，Patch 变大了，这样就改变了注意力的区域，虽然越来越大，加入邻域要素，但不是全局注意力。

• Patch Merging：每个阶段都会先合并图像块（降低图像分辨率）
• Swin Transformer Block：基本构建单元，由局部窗口交互、全局窗口交互和转换层组成，用于在局部和全局范围内进行特征交互。

Swin Transformer 块

图 (b)，就是 Swin Transformer Block 具体细节：

• MLP：多层感知器，就是一个分类网络
• LN：层归一化
• W-MSA：窗口多头自注意力模块，在窗口范围内做attention
• SW-MSA：滑动窗口多头自注意力模块，在滑动窗口范围内做attention

W-MSA、SW-MSA

Block 核心是用了 W-MSA、SW-MSA：

• W-MSA 是为了减少计算量，注意力限制在一个小窗口内，当然窗口会越来越大，考虑邻域要素。
• SW-MSA 解决的是注意力机制局部化，导致的信息、特征损失，信息和信息之间没有交流。

好像读一本书：

• 首先，W-MSA可以将你的注意力限制在一个小窗口内，比如每次只关注故事中的一小段内容。这样，就可以更集中地理解每个人物和事件之间的关系，而不需要一次性地理解整个故事。

• 接着，SW-MSA可以让你通过滑动窗口的方式，将不同窗口中的内容进行比较和交互。这样，就能够捕捉到故事中的重要事件和关键人物，不受它们在故事中的具体位置影响。可以在不同位置观察故事中的情节，而不会错过任何重要的细节。

SW-MSA 的设计遇到问题，如果只是简单的将原始的窗口向右下角移动2个patch，会导致每个窗口大小不一样，且每个窗口内的patch数量不同，既加重了模型的计算复杂度，也不能并行计算。

环状 SW-MSA

作者提出了，环状 SW-MSA。

最开始是9个不均匀的patch。

为了均匀，将原来的 A、B、C 部分做一个旋转拼接，就又可以恢复成一个有 4 个窗口，且patch数量均匀的数据了。

• cyclic shift：将 A、B、C 移动到反向位置（窗口补齐），保证窗口大小一致（原来是 9 个不规则窗口，方便并行计算）
• MSA 掩码：把原本不属于一个窗口的数据，不会得到较高的注意力（绿色C、蓝色B、黄色A 的值都低）

Masked Attention 计算过程：

左图的 Window0 窗口，patch没有任何拼接处理，因此不需要做任何掩码（masked）操作，可以正常做attention。

• 右图的 window0 的颜色为全黑，意味着无需任何掩码操作。

左图的 Window2 这个窗口，标号为 3 的来自同一批patch，标号为 6 的来自环状移动过来的另一批patch。

因此 3 和 6 之间是不能做 attention 的，这意味着如果 attention score 是由 3 的一块 patch 和 6 的一块 patch 计算得来，我们就需要把这个score设置成 -100，这样一来在后续做softmax时，对应位置的结果就可以小到忽略不计，以此来取得遮掩效果。

• 右图的 window2 的黄色部分表示不需要做 mask 的分数，黑色部分表示需要做 mask 的分数。

这代表什么呢？

• 相同区域之间做 MSA 操作，就没掩码
• 不同区域之间做 MSA 操作，就带掩码

环状 SW-MSA 不仅能跨窗口连接，还支持并行计算。