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patch 成为了 ALL You Need?挑战 ViT、MLP-Mixer 的简单模型来了
技术讨论

来源丨机器之心
编辑丨极市平台

ViT(Vision Transformer)等视觉模型的强大性能,是来自于 Transformer,还是被忽略的 patch?有研究者提出了简单 ConvMixer 模型进行证明,直接将 patch 作为输入,实验表明,ConvMixer 性能优于 ResNet 等经典视觉模型,并且在类似的参数计数和数据集大小方面也优于 ViT、MLP-Mixer 及其一些变体。

近年来,深度学习系统中的卷积神经网络在处理计算机视觉任务中,一直占据主要地位。但最近,基于 Transformer 模型的架构,例如 ViT(Vision Transformer)架构(Dosovitskiy 等人,2020 年),在许多任务中都表现出了引人注目的性能,它们通常优于经典卷积网络,尤其是在大型数据集上表现更佳。

我们可以假设,Transformer 成为视觉领域的主导架构只是时间问题,就像它们在 NLP 领域中一样。然而,为了将 Transformer 应用于图像领域,信息的表示方法必须改变:因为如果在每像素级别上应用 Transformer 中的自注意力层,它的计算成本将与每张图像的像素数成二次方扩展,所以折衷的方法是首先将图像分成多个 patch,再将这些 patch 线性嵌入 ,最后将 transformer 直接应用于此 patch 集合。

我们不禁会问:像 ViT 这种架构强大的性能是来自 Transformer ,还是至少部分是由于使用 patch 作为输入表示实现的?

在本文中,研究者为后者提供了一些证据:具体而言,该研究提出了 ConvMixer,这是一个极其简单的模型,在思想上与 ViT 和更基本的 MLP-Mixer 相似,这些模型直接将 patch 作为输入进行操作,分离空间和通道维度的混合,并在整个网络中保持相同的大小和分辨率。然而,相比之下,该研究提出的 ConvMixer 仅使用标准卷积来实现混合步骤。尽管它很简单,但研究表明,除了优于 ResNet 等经典视觉模型之外,ConvMixer 在类似的参数计数和数据集大小方面也优于 ViT、MLP-Mixer 及其一些变体。

特斯拉 AI 高级总监 Andrej Karpathy 在其个人社交网站推特上感叹道:我被新的 ConvMixer 架构震撼了。

有网友认为:「这项研究具有很重要的理论意义,因为它挑战了 ViT 有效性的原因。」

还有网友表示:「作为消融实验,我认为很有趣。我不认为这篇论文的目的是表达『 ConvMixer 是一个好的架构,值得研究者使用』,而是『这个简单的架构有效的帮助我们缩小了其他模型最有价值的特性范围』。」

一个简单的模型:ConvMixer

ConvMixer 由一个 patch 嵌入层和一个简单的全卷积块的重复应用组成。该研究保持 patch 嵌入的空间结构,如下图 2 所示。patch 大小为 p 和嵌入维度为 h 的 patch 嵌入可以实现具有 c_in 输入通道、h 个输出通道、内核大小 p 和步长 p 的卷积:

ConvMixer 块本身由 depthwise 卷积(即组数等于通道数 h 的分组卷积)和 pointwise(即内核大小为 1 × 1)卷积组成。每个卷积之后是一个激活函数和激活后的 BatchNorm:

在 ConvMixer 块的多次应用之后,执行全局池化以获得大小为 h 的特征向量,并将其传递给 softmax 分类器。

设计参数:ConvMixer 的实例化取决于四个参数:(1)宽度或隐藏维度 h(即 patch 嵌入的维度),(2)深度 d,或 ConvMixer 层的重复次数,(3 ) 控制模型内部分辨率的 patch 大小 p, (4) 深度卷积层的内核大小 k。研究者根据它们的隐藏维度和深度命名 ConvMixers,如 ConvMixer-h/d。他们将原始输入大小 n 除以 patch 大小 p 作为内部分辨率;但是请注意,ConvMixers 支持可变大小的输入。

动机:ConvMixer 架构基于混合思想。具体地,该研究选择了 depthwise 卷积来混合空间位置,选择 pointwise 卷积来混合通道位置。先前工作的一个关键思想是 MLP 和自注意力可以混合较远的空间位置,即它们可以具有任意大的感受野。因此,该研究使用较大的内核卷积来混合较远的空间位置。

实验结果

研究者首先在 CIFAR-10 上执行了小规模的实验,其中 ConvMixers 仅使用 0.7M 的参数实现了 96\% 以上的准确率,验证了卷积归纳偏置的数据高效性。

此外,研究者不使用任何预训练或额外数据,在 ImageNet-1k 分类数据集上对 ConvMixers 进行了评估。他们将 ConvMixer 添加到 timm 框架中,并使用近乎标准的设置进行训练,包括默认 timm 增强、RandAugment、mixup、CutMix、随机删除(random erasing)和梯度标准裁剪。

研究者还使用了 AdamW 优化器和一个简单的 triangular 学习速度时间表。由于计算受限,他们没有在 ImageNet 上进行超参数调整,并较竞品模型训练了更少的 epoch。

结果如下表 1 所示。参数量为 52M 的 ConvMixer-1536/20 在 ImageNet 上实现了 81.4\% 的 top-1 准确率,参数量为 21M 的 ConvMixer-768/32 实现了 80.2\% 的 top-1 准确率。更宽的 ConvMixers 在训练 epoch 更少时出现收敛,但需要内存和计算。当卷积核更大时表现也很好:当卷积核大小从 K = 9 降至 K = 3 时,ConvMixer-1536/20 的准确率大约降了 1\%。当 patch 更小时,ConvMixers 的表现明显更好。因此,研究者认为,更大的 patch 需要更深的 ConvMixers。他们使用 ReLU 训练了一个模型,以证明 GELU 是不必要的。

ConvMixers 模型和训练设置与 DeiT 非常相似。在最近的各向同性模型中,研究者认为 DeiT 和 ResMLP 是最公平的竞品模型,并且使用相同的过程训练了 ResNet(它的原始结果已经过时了)。从表 1 和下图 1 可以看到,ConvMixer 在给定的参数预算下实现了具有竞争力的结果:ConvMixer-1536/20 在使用明显更少参数的情况下,优于 ResNet-152 和 ResMLP-B24,并能够与 DeiT-B 竞争。不仅如此,ConvMixer-768/32 仅使用 ResNet-152 的 1/3 参数,就实现了与之相似的准确率。

但是,ConvMixers 的推理速度较竞品模型慢得多,这可能因为它们的 patch 更小。超参数调整和优化可以缩小这一差距,具体参见下表 2:

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