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    2. <table id="7actg"></table>

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        【CV】 何凱明大神新作MAE | CVPR2022最佳論文候選

        共 37376字,需瀏覽 75分鐘

         ·

        2021-12-24 09:13

        • 文章轉(zhuǎn)自:微信公眾號【機(jī)器學(xué)習(xí)煉丹術(shù)】
        • 筆記作者:煉丹兄(已授權(quán)轉(zhuǎn)載)
        • 聯(lián)系方式:微信cyx645016617
        • 論文題目:“Masked Autoencoders Are Scalable Vision Learners”

        0摘要

        本文證明了蒙面自動編碼器(MAE)是一種可擴(kuò)展的計算機(jī)視覺自監(jiān)督學(xué)習(xí)器。我們的MAE方法很簡單:我們屏蔽輸入圖像的隨機(jī)補(bǔ)丁并重建丟失的像素。

        這樣的設(shè)計基于兩個core:

        • 我們開發(fā)了一種非對稱編碼器-解碼器體系結(jié)構(gòu),其中的編碼器僅在可見的補(bǔ)丁子集上運(yùn)行(不帶掩碼),以及一個輕量級解碼器,該解碼器從潛在表示和掩碼令牌重建原始圖像。
        • 其次,我們發(fā)現(xiàn)掩蔽高比例的輸入圖像(例如75%)會產(chǎn)生一項(xiàng)不平凡且有意義的自我監(jiān)督任務(wù)。將這兩種設(shè)計結(jié)合起來,使我們能夠高效地訓(xùn)練大型模型:我們加快訓(xùn)練速度(3倍或更多)并提高準(zhǔn)確性。

        1 方法

        從圖片中可以看出,其實(shí)模型非常簡單:

        • 是一個類似于VIT的transformer結(jié)構(gòu),圖像被分成patch,然后其中模型只能看到其中的少部分(25%)的patch,剩下的75%的patch是看不到的;
        • encoder的輸入是可以看到的25%的patch加上這25%的位置掩碼;
        • 之后通過decoder,來將25%的patches信息還原出來整張圖片,來做重建。
        • 在預(yù)訓(xùn)練之后,解碼器被丟棄,編碼器被應(yīng)用于未損壞的圖像以產(chǎn)生識別任務(wù)的表示。

        2 代碼部分-第一步

        因?yàn)楹唵?,所以直接看代碼。代碼是由某位大佬自行復(fù)現(xiàn),而非官方!

        def pretrain_mae_small_patch16_224(pretrained=False, **kwargs):
            model = PretrainVisionTransformer(
                img_size=224,
                patch_size=16,
                encoder_embed_dim=384,
                encoder_depth=12,
                encoder_num_heads=6,
                encoder_num_classes=0,
                decoder_num_classes=768,
                decoder_embed_dim=192,
                decoder_depth=4,
                decoder_num_heads=3,
                mlp_ratio=4,
                qkv_bias=True,
                norm_layer=partial(nn.LayerNorm, eps=1e-6),
                **kwargs)
            model.default_cfg = _cfg()
            if pretrained:
                checkpoint = torch.load(
                    kwargs["init_ckpt"], map_location="cpu"
                )
                model.load_state_dict(checkpoint["model"])
            return model

        從代碼中的,patch_size,encoder_embed_dim這些參數(shù),不難理解,這個PretrainVisionTransformer是一個經(jīng)典的VIT的transformer結(jié)構(gòu)(先猜測,后驗(yàn)證)。

        3 代碼部分-第二步

        class PretrainVisionTransformer(nn.Module):
            """ Vision Transformer with support for patch or hybrid CNN input stage
            """

            def __init__(self,
                         img_size=224
                         patch_size=16
                         encoder_in_chans=3
                         encoder_num_classes=0
                         encoder_embed_dim=768
                         encoder_depth=12,
                         encoder_num_heads=12
                         decoder_num_classes=768
                         decoder_embed_dim=512
                         decoder_depth=8,
                         decoder_num_heads=8
                         mlp_ratio=4.
                         qkv_bias=False, 
                         qk_scale=None, 
                         drop_rate=0.
                         attn_drop_rate=0.,
                         drop_path_rate=0.
                         norm_layer=nn.LayerNorm, 
                         init_values=0.,
                         use_learnable_pos_emb=False,
                         num_classes=0# avoid the error from create_fn in timm
                         in_chans=0# avoid the error from create_fn in timm
                         )
        :

                super().__init__()
                self.encoder = PretrainVisionTransformerEncoder(
                    img_size=img_size, 
                    patch_size=patch_size, 
                    in_chans=encoder_in_chans, 
                    num_classes=encoder_num_classes, 
                    embed_dim=encoder_embed_dim, 
                    depth=encoder_depth,
                    num_heads=encoder_num_heads, 
                    mlp_ratio=mlp_ratio, 
                    qkv_bias=qkv_bias, 
                    qk_scale=qk_scale, 
                    drop_rate=drop_rate, 
                    attn_drop_rate=attn_drop_rate,
                    drop_path_rate=drop_path_rate, 
                    norm_layer=norm_layer, 
                    init_values=init_values,
                    use_learnable_pos_emb=use_learnable_pos_emb)

                self.decoder = PretrainVisionTransformerDecoder(
                    patch_size=patch_size, 
                    num_patches=self.encoder.patch_embed.num_patches,
                    num_classes=decoder_num_classes, 
                    embed_dim=decoder_embed_dim, 
                    depth=decoder_depth,
                    num_heads=decoder_num_heads, 
                    mlp_ratio=mlp_ratio, 
                    qkv_bias=qkv_bias, 
                    qk_scale=qk_scale, 
                    drop_rate=drop_rate, 
                    attn_drop_rate=attn_drop_rate,
                    drop_path_rate=drop_path_rate, 
                    norm_layer=norm_layer, 
                    init_values=init_values)

                self.encoder_to_decoder = nn.Linear(encoder_embed_dim, decoder_embed_dim, bias=False)

                self.mask_token = nn.Parameter(torch.zeros(11, decoder_embed_dim))

                self.pos_embed = get_sinusoid_encoding_table(self.encoder.patch_embed.num_patches, decoder_embed_dim)

                trunc_normal_(self.mask_token, std=.02)


            def _init_weights(self, m):
                if isinstance(m, nn.Linear):
                    nn.init.xavier_uniform_(m.weight)
                    if isinstance(m, nn.Linear) and m.bias is not None:
                        nn.init.constant_(m.bias, 0)
                elif isinstance(m, nn.LayerNorm):
                    nn.init.constant_(m.bias, 0)
                    nn.init.constant_(m.weight, 1.0)

            def get_num_layers(self):
                return len(self.blocks)

            @torch.jit.ignore
            def no_weight_decay(self):
                return {'pos_embed''cls_token''mask_token'}

            def forward(self, x, mask):
                
                x_vis = self.encoder(x, mask) # [B, N_vis, C_e]
                x_vis = self.encoder_to_decoder(x_vis) # [B, N_vis, C_d]

                B, N, C = x_vis.shape
                
                # we don't unshuffle the correct visible token order, 
                # but shuffle the pos embedding accorddingly.
                expand_pos_embed = self.pos_embed.expand(B, -1-1).type_as(x).to(x.device).clone().detach()
                pos_emd_vis = expand_pos_embed[~mask].reshape(B, -1, C)
                pos_emd_mask = expand_pos_embed[mask].reshape(B, -1, C)
                x_full = torch.cat([x_vis + pos_emd_vis, self.mask_token + pos_emd_mask], dim=1)

                x = self.decoder(x_full, pos_emd_mask.shape[1]) # [B, N_mask, 3 * 16 * 16]

                return x

        整體來看,是由Encoder和Decoder組成的。我們來把參數(shù)羅列一下:

        • img_size=224
        • patch_size=16
        • encoder_in_chans=3
        • encoder_num_classes=0
        • encoder_embed_dim=768
        • encoder_depth=12
        • encoder_num_heads=12
        • decoder_num_classes=768
        • decoder_embed_dim=512
        • decoder_depth=8
        • decoder_num_heads=8
        • mlp_ratio=4.
        • qkv_bias=False
        • qk_scale=None
        • drop_rate=0.
        • attn_drop_rate=0.
        • drop_path_rate=0.
        • norm_layer=nn.LayerNorm
        • init_values=0.
        • use_learnable_pos_emb=False
        • num_classes=0 # avoid the error from create_fn in timm
        • in_chans=0, # avoid the error from create_fn in timm

        4 代碼部分-encoder

        class PretrainVisionTransformerEncoder(nn.Module):
            """ Vision Transformer with support for patch or hybrid CNN input stage
            """

            def __init__(self, img_size=224, patch_size=16, in_chans=3, num_classes=0, embed_dim=768, depth=12,
                         num_heads=12, mlp_ratio=4., qkv_bias=False, qk_scale=None, drop_rate=0., attn_drop_rate=0.,
                         drop_path_rate=0., norm_layer=nn.LayerNorm, init_values=None,
                         use_learnable_pos_emb=False)
        :

                super().__init__()
                self.num_classes = num_classes
                self.num_features = self.embed_dim = embed_dim  # num_features for consistency with other models

                self.patch_embed = PatchEmbed(
                    img_size=img_size, patch_size=patch_size, in_chans=in_chans, embed_dim=embed_dim)
                num_patches = self.patch_embed.num_patches

                TODO: Add the cls token
                # self.cls_token = nn.Parameter(torch.zeros(1, 1, embed_dim))
                if use_learnable_pos_emb:
                    self.pos_embed = nn.Parameter(torch.zeros(1, num_patches + 1, embed_dim))
                else:
                    # sine-cosine positional embeddings 
                    self.pos_embed = get_sinusoid_encoding_table(num_patches, embed_dim)

                dpr = [x.item() for x in torch.linspace(0, drop_path_rate, depth)]  # stochastic depth decay rule
                self.blocks = nn.ModuleList([
                    Block(
                        dim=embed_dim, num_heads=num_heads, mlp_ratio=mlp_ratio, qkv_bias=qkv_bias, qk_scale=qk_scale,
                        drop=drop_rate, attn_drop=attn_drop_rate, drop_path=dpr[i], norm_layer=norm_layer,
                        init_values=init_values)
                    for i in range(depth)])
                self.norm =  norm_layer(embed_dim)
                self.head = nn.Linear(embed_dim, num_classes) if num_classes > 0 else nn.Identity()

                if use_learnable_pos_emb:
                    trunc_normal_(self.pos_embed, std=.02)

                # trunc_normal_(self.cls_token, std=.02)
                self.apply(self._init_weights)


            def _init_weights(self, m):
                if isinstance(m, nn.Linear):
                    nn.init.xavier_uniform_(m.weight)
                    if isinstance(m, nn.Linear) and m.bias is not None:
                        nn.init.constant_(m.bias, 0)
                elif isinstance(m, nn.LayerNorm):
                    nn.init.constant_(m.bias, 0)
                    nn.init.constant_(m.weight, 1.0)

            def get_num_layers(self):
                return len(self.blocks)

            @torch.jit.ignore
            def no_weight_decay(self):
                return {'pos_embed''cls_token'}

            def get_classifier(self):
                return self.head

            def reset_classifier(self, num_classes, global_pool=''):
                self.num_classes = num_classes
                self.head = nn.Linear(self.embed_dim, num_classes) if num_classes > 0 else nn.Identity()

            def forward_features(self, x, mask):
                x = self.patch_embed(x)
                
                # cls_tokens = self.cls_token.expand(batch_size, -1, -1) 
                # x = torch.cat((cls_tokens, x), dim=1)
                x = x + self.pos_embed.type_as(x).to(x.device).clone().detach()

                B, _, C = x.shape
                x_vis = x[~mask].reshape(B, -1, C) # ~mask means visible

                for blk in self.blocks:
                    x_vis = blk(x_vis)

                x_vis = self.norm(x_vis)
                return x_vis

            def forward(self, x, mask):
                x = self.forward_features(x, mask)
                x = self.head(x)
                return x

        構(gòu)建Encoder中,用到了這幾個模塊:

        • self.patch_embed:將圖像patch化
        • depth個堆疊的Block,transformer的特征提取部分
        • self.head:這里是一個identity層,無意義。

        5 代碼部分-patch_embed

        class PatchEmbed(nn.Module):
            """ Image to Patch Embedding
            """

            def __init__(self, img_size=224, patch_size=16, in_chans=3, embed_dim=768):
                super().__init__()
                img_size = to_2tuple(img_size)
                patch_size = to_2tuple(patch_size)
                num_patches = (img_size[1] // patch_size[1]) * (img_size[0] // patch_size[0])
                self.patch_shape = (img_size[0] // patch_size[0], img_size[1] // patch_size[1])
                self.img_size = img_size
                self.patch_size = patch_size
                self.num_patches = num_patches

                self.proj = nn.Conv2d(in_chans, embed_dim, kernel_size=patch_size, stride=patch_size)

            def forward(self, x, **kwargs):
                B, C, H, W = x.shape
                # FIXME look at relaxing size constraints
                assert H == self.img_size[0and W == self.img_size[1], \
                    f"Input image size ({H}*{W}) doesn't match model ({self.img_size[0]}*{self.img_size[1]})."
                x = self.proj(x).flatten(2).transpose(12)
                return x

        這里面的代碼可以看到,其實(shí)只是包含一個self.proj(x)這一個卷積層罷了,我做了一個簡單的demo研究patchembed模塊是如何影響一個圖片的形狀的:

        輸入是一個1x3x224x224的特征圖,輸出的y的形狀為:

        這里我理解了這個過程以及兩個參數(shù)的含義:

        • 196表示是一張圖片的patch的數(shù)量,224的輸入,16是patch的size,所以一個圖片有(224/16)的平方個patches,也就是196個patches;
        • 每一個patch都被卷積編碼成了768維度的向量。768對應(yīng)超參數(shù)embed_dim
        • 這里面kernel_size和stride都設(shè)置成和patch尺度相同,其實(shí)是在數(shù)學(xué)上完全等價于,對一個patch的所有元素做了一層的全連接層。一個patch包含14x14個像素,也就是196 。這樣的卷積層等價于一個196到768的全連接層。

        6 代碼部分-Block

        class Block(nn.Module):

            def __init__(self, dim, num_heads, mlp_ratio=4., qkv_bias=False, qk_scale=None, drop=0., attn_drop=0.,
                         drop_path=0., init_values=None, act_layer=nn.GELU, norm_layer=nn.LayerNorm,
                         attn_head_dim=None)
        :

                super().__init__()
                self.norm1 = norm_layer(dim)
                self.attn = Attention(
                    dim, num_heads=num_heads, qkv_bias=qkv_bias, qk_scale=qk_scale,
                    attn_drop=attn_drop, proj_drop=drop, attn_head_dim=attn_head_dim)
                NOTE: drop path for stochastic depth, we shall see if this is better than dropout here
                self.drop_path = DropPath(drop_path) if drop_path > 0. else nn.Identity()
                self.norm2 = norm_layer(dim)
                mlp_hidden_dim = int(dim * mlp_ratio)
                self.mlp = Mlp(in_features=dim, hidden_features=mlp_hidden_dim, act_layer=act_layer, drop=drop)

                if init_values > 0:
                    self.gamma_1 = nn.Parameter(init_values * torch.ones((dim)),requires_grad=True)
                    self.gamma_2 = nn.Parameter(init_values * torch.ones((dim)),requires_grad=True)
                else:
                    self.gamma_1, self.gamma_2 = NoneNone

            def forward(self, x):
                if self.gamma_1 is None:
                    x = x + self.drop_path(self.attn(self.norm1(x)))
                    x = x + self.drop_path(self.mlp(self.norm2(x)))
                else:
                    x = x + self.drop_path(self.gamma_1 * self.attn(self.norm1(x)))
                    x = x + self.drop_path(self.gamma_2 * self.mlp(self.norm2(x)))
                return x

        這個Block里面包含了三個模塊,Attention,MlpDropPath.

        輸入的x先經(jīng)過Layer norm做歸一化,然后放到Attention當(dāng)中,然后是DropPath,然后是Layer norm歸一化,然后時Mlp然后是DropPath。

        6 代碼部分-Attention

        class Attention(nn.Module):
            def __init__(
                    self, dim, num_heads=8, qkv_bias=False, qk_scale=None, attn_drop=0.,
                    proj_drop=0., attn_head_dim=None)
        :

                super().__init__()
                self.num_heads = num_heads
                head_dim = dim // num_heads
                if attn_head_dim is not None:
                    head_dim = attn_head_dim
                all_head_dim = head_dim * self.num_heads
                self.scale = qk_scale or head_dim ** -0.5

                self.qkv = nn.Linear(dim, all_head_dim * 3, bias=False)
                if qkv_bias:
                    self.q_bias = nn.Parameter(torch.zeros(all_head_dim))
                    self.v_bias = nn.Parameter(torch.zeros(all_head_dim))
                else:
                    self.q_bias = None
                    self.v_bias = None

                self.attn_drop = nn.Dropout(attn_drop)
                self.proj = nn.Linear(all_head_dim, dim)
                self.proj_drop = nn.Dropout(proj_drop)

            def forward(self, x):
                B, N, C = x.shape
                qkv_bias = None
                if self.q_bias is not None:
                    qkv_bias = torch.cat((self.q_bias, torch.zeros_like(self.v_bias, requires_grad=False), self.v_bias))
                # qkv = self.qkv(x).reshape(B, N, 3, self.num_heads, C // self.num_heads).permute(2, 0, 3, 1, 4)
                qkv = F.linear(input=x, weight=self.qkv.weight, bias=qkv_bias)
                qkv = qkv.reshape(B, N, 3, self.num_heads, -1).permute(20314)
                q, k, v = qkv[0], qkv[1], qkv[2]   # make torchscript happy (cannot use tensor as tuple)

                q = q * self.scale
                attn = (q @ k.transpose(-2-1))

                
                attn = attn.softmax(dim=-1)
                attn = self.attn_drop(attn)

                x = (attn @ v).transpose(12).reshape(B, N, -1)
                x = self.proj(x)
                x = self.proj_drop(x)
                return x

        通過這一行全連接層,將輸入768個特征,擴(kuò)展到2304維度,分別對應(yīng)q,k,v三個變量。

        通過reshape,將【batch,196,2304】reshape成【1,196,3,8,96】,然后轉(zhuǎn)置變成【3,1,8,196,96】.這個3,剛好分配給qkv。然后經(jīng)過兩次矩陣的乘法,最終輸出還是[batch,196,768]維度。

        【總結(jié)】:Attention其實(shí)就是特征提取模塊,輸入是[batch,196,768],輸出也是[batch,196,768].

        7 代碼部分-Mlp

        class Mlp(nn.Module):
            def __init__(self, in_features, hidden_features=None, out_features=None, act_layer=nn.GELU, drop=0.):
                super().__init__()
                out_features = out_features or in_features
                hidden_features = hidden_features or in_features
                self.fc1 = nn.Linear(in_features, hidden_features)
                self.act = act_layer()
                self.fc2 = nn.Linear(hidden_features, out_features)
                self.drop = nn.Dropout(drop)

            def forward(self, x):
                x = self.fc1(x)
                x = self.act(x)
                # x = self.drop(x)
                # commit this for the orignal BERT implement 
                x = self.fc2(x)
                x = self.drop(x)
                return x

        這個MLP就是兩層全連接層,將768放大到768x4的維度,然后再變成768.

        7 代碼部分-Decode


        class PretrainVisionTransformerDecoder(nn.Module):
            """ Vision Transformer with support for patch or hybrid CNN input stage
            """

            def __init__(self, patch_size=16, num_classes=768, embed_dim=768, depth=12,
                         num_heads=12, mlp_ratio=4., qkv_bias=False, qk_scale=None, drop_rate=0., attn_drop_rate=0.,
                         drop_path_rate=0., norm_layer=nn.LayerNorm, init_values=None, num_patches=196,
                         )
        :

                super().__init__()
                self.num_classes = num_classes
                assert num_classes == 3 * patch_size ** 2
                self.num_features = self.embed_dim = embed_dim  # num_features for consistency with other models
                self.patch_size = patch_size

                dpr = [x.item() for x in torch.linspace(0, drop_path_rate, depth)]  # stochastic depth decay rule
                self.blocks = nn.ModuleList([
                    Block(
                        dim=embed_dim, num_heads=num_heads, mlp_ratio=mlp_ratio, qkv_bias=qkv_bias, qk_scale=qk_scale,
                        drop=drop_rate, attn_drop=attn_drop_rate, drop_path=dpr[i], norm_layer=norm_layer,
                        init_values=init_values)
                    for i in range(depth)])
                self.norm =  norm_layer(embed_dim)
                self.head = nn.Linear(embed_dim, num_classes) if num_classes > 0 else nn.Identity()

                self.apply(self._init_weights)


            def _init_weights(self, m):
                if isinstance(m, nn.Linear):
                    nn.init.xavier_uniform_(m.weight)
                    if isinstance(m, nn.Linear) and m.bias is not None:
                        nn.init.constant_(m.bias, 0)
                elif isinstance(m, nn.LayerNorm):
                    nn.init.constant_(m.bias, 0)
                    nn.init.constant_(m.weight, 1.0)

            def get_num_layers(self):
                return len(self.blocks)

            @torch.jit.ignore
            def no_weight_decay(self):
                return {'pos_embed''cls_token'}

            def get_classifier(self):
                return self.head

            def reset_classifier(self, num_classes, global_pool=''):
                self.num_classes = num_classes
                self.head = nn.Linear(self.embed_dim, num_classes) if num_classes > 0 else nn.Identity()

            def forward(self, x, return_token_num):
                for blk in self.blocks:
                    x = blk(x)

                if return_token_num > 0:
                    x = self.head(self.norm(x[:, -return_token_num:])) # only return the mask tokens predict pixels
                else:
                    x = self.head(self.norm(x)) # [B, N, 3*16^2]

                return x

        不過總的來說,這個代碼復(fù)現(xiàn)和論文中的MAE還有有不同的地方。decoder部分有問題。之后自己再修正一下。

        我覺得大致的問題在于,這個代碼中,encoder之后,decoder之前,缺少一個對于圖像位置的還原。就是下圖中的紅框的步驟:

        不過這一步驟的有無,并不會影響模型的訓(xùn)練,只是為了生成完整的重建圖形。

        往期精彩回顧




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