EfficientFormerV2:全新的轻量级视觉Transformer

news2024/11/18 3:35:07

期刊:2023 IEEE/CVF International Conference on Computer Vision (ICCV)

标题:Rethinking(重新审视) Vision Transformers(ViT) for MobileNet Size and Speed(MobileNet的规模和速度)

                                                                                                                                                  ——重新审视ViT能否达到MobileNet的规模和速度

论文:https://arxiv.org/pdf/2212.08059.pdf

源码:GitHub - snap-research/EfficientFormer: EfficientFormerV2 [ICCV 2023] & EfficientFormer [NeurIPs 2022]

一、摘要 

研究背景:随着视觉Transformers(ViTs)在计算机视觉任务中的成功,最近的技术试图优化ViT的性能和复杂性,以实现在移动设备上的高效部署。研究人员提出了多种方法来加速注意力机制,改进低效设计,或结合mobile-friendly的轻量级卷积来形成混合架构

研究问题:然而,ViT及其变体仍然比轻量级的CNNs具有更高的延迟或更多的参数,即使对于多年前的MobileNet也是如此。实际上,延迟和大小对于资源受限硬件上的高效部署都至关重要

主要工作

  • 1. 重新审视了ViT的设计选择,并提出了一种具有低延迟和高参数效率的改进型超网络。
  • 2. 进一步引入了一种细粒度联合搜索策略,该策略可以通过同时优化延迟和参数量来找到有效的架构。

研究成果:所提出的模型EfficientFormerV2在ImageNet-1K上实现了比MobileNetV2和MobileNetV1高约4%的top-1精度,具有相似的延迟和参数。论文证明,适当设计和优化的ViT可以以MobileNet级别的大小和速度实现高性能。

  

  

二、网络架构

EfficientFormerV2网络架构如下:

 

3.1. Token Mixers vs. Feed Forward Network(FFN代替Token Mixers)

前人工作:PoolFormer和EfficientFormer采用3 x 3个平均池化层作为local token(局部标记)混合器。(local token混合器的作用)增强局部信息可以提高性能,并使ViT在没有显式位置嵌入的情况下更加鲁棒。

动机1:用相同内核大小的深度卷积(DWCONV)替换这些层不会引入延迟开销,而性能提高了0.6%,额外参数可以忽略不计(0.02M)。

动机2:此外,最近的工作表明,在ViT中的前馈网络(FFN)中添加局部信息捕获层也是有益的,以提高性能,同时开销较小。

改进:基于这些观察,删除了显式残差连接的局部标记混合器,并将深度方向的 3 × 3 CONV 移动到FFN中,以获得启用局部性的统一FFN。将统一的 FFN 应用于网络的所有阶段。这种设计修改将网络架构简化为只有两种类型的块 (Local FFN 和 Gobel Attention),并在相同延迟下将准确率提高到 80.3%,参数开销很小(0.1M)。

代码如下:

FFN深度卷积前馈网络:

# 深度卷积前馈网络
class FFN(nn.Module):
    def __init__(self, dim, pool_size=3, mlp_ratio=4.,
                 act_layer=nn.GELU,
                 drop=0., drop_path=0.,
                 use_layer_scale=True, layer_scale_init_value=1e-5):
        super().__init__()

        mlp_hidden_dim = int(dim * mlp_ratio)       # 隐藏层维度
        self.mlp = Mlp(in_features=dim, hidden_features=mlp_hidden_dim,
                       act_layer=act_layer, drop=drop, mid_conv=True)       # 多层感知机

        self.drop_path = DropPath(drop_path) if drop_path > 0. \
            else nn.Identity()
        self.use_layer_scale = use_layer_scale
        if use_layer_scale:
            self.layer_scale_2 = nn.Parameter(
                layer_scale_init_value * torch.ones(dim).unsqueeze(-1).unsqueeze(-1), requires_grad=True)   # 缩放因子

    def forward(self, x):
        if self.use_layer_scale:
            x = x + self.drop_path(self.layer_scale_2 * self.mlp(x))    # 残差连接
        else:
            x = x + self.drop_path(self.mlp(x))
        return x
# 多层感知机
class Mlp(nn.Module):
    """
    Implementation of MLP with 1*1 convolutions.
    Input: tensor with shape [B, C, H, W]
    """

    def __init__(self, in_features, hidden_features=None,
                 out_features=None, act_layer=nn.GELU, drop=0., mid_conv=False):
        super().__init__()
        out_features = out_features or in_features
        hidden_features = hidden_features or in_features
        self.mid_conv = mid_conv
        self.fc1 = nn.Conv2d(in_features, hidden_features, 1)
        self.act = act_layer()
        self.fc2 = nn.Conv2d(hidden_features, out_features, 1)
        self.drop = nn.Dropout(drop)
        self.apply(self._init_weights)

        if self.mid_conv:
            self.mid = nn.Conv2d(hidden_features, hidden_features, kernel_size=3, stride=1, padding=1,
                                 groups=hidden_features)
            self.mid_norm = nn.BatchNorm2d(hidden_features)

        self.norm1 = nn.BatchNorm2d(hidden_features)
        self.norm2 = nn.BatchNorm2d(out_features)

    def _init_weights(self, m):
        if isinstance(m, nn.Conv2d):
            trunc_normal_(m.weight, std=.02)
            if m.bias is not None:
                nn.init.constant_(m.bias, 0)

    def forward(self, x):
        x = self.fc1(x)     # 1x1卷积
        x = self.norm1(x)
        x = self.act(x)     # 激活层,GELU激活

        if self.mid_conv:
            x_mid = self.mid(x)     # 3x3卷积
            x_mid = self.mid_norm(x_mid)
            x = self.act(x_mid)
        x = self.drop(x)

        x = self.fc2(x)     # 1x1卷积
        x = self.norm2(x)

        x = self.drop(x)
        return x

3.2 MHSA Improvements

多头自注意力MHSA

class Attention4D(torch.nn.Module):
    def __init__(self, dim=384, key_dim=32, num_heads=8,
                 attn_ratio=4,
                 resolution=7,
                 act_layer=nn.ReLU,
                 stride=None):
        super().__init__()
        self.num_heads = num_heads
        self.scale = key_dim ** -0.5
        self.key_dim = key_dim
        self.nh_kd = nh_kd = key_dim * num_heads

        if stride is not None:
            self.resolution = math.ceil(resolution / stride)
            self.stride_conv = nn.Sequential(nn.Conv2d(dim, dim, kernel_size=3, stride=stride, padding=1, groups=dim),
                                             nn.BatchNorm2d(dim), )
            self.upsample = nn.Upsample(scale_factor=stride, mode='bilinear')
        else:
            self.resolution = resolution
            self.stride_conv = None
            self.upsample = None

        self.N = self.resolution ** 2
        self.N2 = self.N
        self.d = int(attn_ratio * key_dim)
        self.dh = int(attn_ratio * key_dim) * num_heads
        self.attn_ratio = attn_ratio
        h = self.dh + nh_kd * 2
        self.q = nn.Sequential(nn.Conv2d(dim, self.num_heads * self.key_dim, 1),
                               nn.BatchNorm2d(self.num_heads * self.key_dim), )
        self.k = nn.Sequential(nn.Conv2d(dim, self.num_heads * self.key_dim, 1),
                               nn.BatchNorm2d(self.num_heads * self.key_dim), )
        self.v = nn.Sequential(nn.Conv2d(dim, self.num_heads * self.d, 1),
                               nn.BatchNorm2d(self.num_heads * self.d),
                               )
        self.v_local = nn.Sequential(nn.Conv2d(self.num_heads * self.d, self.num_heads * self.d,
                                               kernel_size=3, stride=1, padding=1, groups=self.num_heads * self.d),
                                     nn.BatchNorm2d(self.num_heads * self.d), )
        self.talking_head1 = nn.Conv2d(self.num_heads, self.num_heads, kernel_size=1, stride=1, padding=0)
        self.talking_head2 = nn.Conv2d(self.num_heads, self.num_heads, kernel_size=1, stride=1, padding=0)

        self.proj = nn.Sequential(act_layer(),
                                  nn.Conv2d(self.dh, dim, 1),
                                  nn.BatchNorm2d(dim), )

        points = list(itertools.product(range(self.resolution), range(self.resolution)))
        N = len(points)
        attention_offsets = {}
        idxs = []
        for p1 in points:
            for p2 in points:
                offset = (abs(p1[0] - p2[0]), abs(p1[1] - p2[1]))
                if offset not in attention_offsets:
                    attention_offsets[offset] = len(attention_offsets)
                idxs.append(attention_offsets[offset])
        self.attention_biases = torch.nn.Parameter(
            torch.zeros(num_heads, len(attention_offsets)))
        self.register_buffer('attention_bias_idxs',
                             torch.LongTensor(idxs).view(N, N))

    @torch.no_grad()
    def train(self, mode=True):
        super().train(mode)
        if mode and hasattr(self, 'ab'):
            del self.ab
        else:
            self.ab = self.attention_biases[:, self.attention_bias_idxs]

    def forward(self, x):  # x (B,N,C)
        B, C, H, W = x.shape
        if self.stride_conv is not None:
            x = self.stride_conv(x)

        q = self.q(x).flatten(2).reshape(B, self.num_heads, -1, self.N).permute(0, 1, 3, 2)     # 降维为2维,转置
        k = self.k(x).flatten(2).reshape(B, self.num_heads, -1, self.N).permute(0, 1, 2, 3)
        v = self.v(x)
        v_local = self.v_local(v)       # 通过一个3x3的卷积将局部信息注入V中
        v = v.flatten(2).reshape(B, self.num_heads, -1, self.N).permute(0, 1, 3, 2)     # 降维为2维,转置

        attn = (
                (q @ k) * self.scale    # 矩阵乘法,计算相似度
                +
                (self.attention_biases[:, self.attention_bias_idxs]     # 融合一个位置编码
                 if self.training else self.ab)
        )
        # attn = (q @ k) * self.scale
        attn = self.talking_head1(attn)     # 1x1卷积->全连接,实现注意力头部之间的通信
        attn = attn.softmax(dim=-1)
        attn = self.talking_head2(attn)     # 同上

        x = (attn @ v)      # 注意力融合

        out = x.transpose(2, 3).reshape(B, self.dh, self.resolution, self.resolution) + v_local     # 最后再与v_local融合
        if self.upsample is not None:
            out = self.upsample(out)

        out = self.proj(out)    # 输出再进行激活 + 卷积 + 正则
        return out

Local Global模块(AttnFFN) 

class AttnFFN(nn.Module):
    def __init__(self, dim, mlp_ratio=4.,
                 act_layer=nn.ReLU, norm_layer=nn.LayerNorm,
                 drop=0., drop_path=0.,
                 use_layer_scale=True, layer_scale_init_value=1e-5,
                 resolution=7, stride=None):

        super().__init__()

        self.token_mixer = Attention4D(dim, resolution=resolution, act_layer=act_layer, stride=stride)      # MHSA多头自注意力
        mlp_hidden_dim = int(dim * mlp_ratio)       # 隐藏层维度
        self.mlp = Mlp(in_features=dim, hidden_features=mlp_hidden_dim,
                       act_layer=act_layer, drop=drop, mid_conv=True)       # 深度卷积

        self.drop_path = DropPath(drop_path) if drop_path > 0. \
            else nn.Identity()      # drop_path概率
        self.use_layer_scale = use_layer_scale
        if use_layer_scale:     # 缩放因子
            self.layer_scale_1 = nn.Parameter(
                layer_scale_init_value * torch.ones(dim).unsqueeze(-1).unsqueeze(-1), requires_grad=True)
            self.layer_scale_2 = nn.Parameter(
                layer_scale_init_value * torch.ones(dim).unsqueeze(-1).unsqueeze(-1), requires_grad=True)

    def forward(self, x):
        if self.use_layer_scale:
            x = x + self.drop_path(self.layer_scale_1 * self.token_mixer(x))    # 多头自注意力 + 残差连接
            x = x + self.drop_path(self.layer_scale_2 * self.mlp(x))    # mlp深度卷积 + 残差连接

        else:
            x = x + self.drop_path(self.token_mixer(x))
            x = x + self.drop_path(self.mlp(x))
        return x


# 深度卷积前馈网络
class FFN(nn.Module):
    def __init__(self, dim, pool_size=3, mlp_ratio=4.,
                 act_layer=nn.GELU,
                 drop=0., drop_path=0.,
                 use_layer_scale=True, layer_scale_init_value=1e-5):
        super().__init__()

        mlp_hidden_dim = int(dim * mlp_ratio)       # 隐藏层维度
        self.mlp = Mlp(in_features=dim, hidden_features=mlp_hidden_dim,
                       act_layer=act_layer, drop=drop, mid_conv=True)       # 多层感知机

        self.drop_path = DropPath(drop_path) if drop_path > 0. \
            else nn.Identity()
        self.use_layer_scale = use_layer_scale
        if use_layer_scale:
            self.layer_scale_2 = nn.Parameter(
                layer_scale_init_value * torch.ones(dim).unsqueeze(-1).unsqueeze(-1), requires_grad=True)   # 缩放因子

    def forward(self, x):
        if self.use_layer_scale:
            x = x + self.drop_path(self.layer_scale_2 * self.mlp(x))    # 残差连接
        else:
            x = x + self.drop_path(self.mlp(x))
        return x

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查看文件大小 ls -al 显示每个文件的kb大小 查看系统日志 dmesg -T | tail 在 top 命令中&#xff0c;RES 和 VIRT&#xff08;或者 total-vm&#xff09;是用来表示进程内存使用的两个不同指标&#xff0c;它们之间有以下区别&#xff1a; RES&#xff08;Resident Set Size…

使用ruoyi框架遇到的问题修改记录

使用ruoyi框架遇到的问题修改记录 文章目录 使用ruoyi框架遇到的问题修改记录上传后文件名改变上传时设置单多文件及其他选项附件显示文件名&#xff0c;点击下载附件直接显示图片表格固定列查询数据库作为下拉选项值字典使用加入json递归注解&#xff0c;防止无限递归内存溢出…