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实战级Stand-Alone Self-Attention in CV，快加入到你的trick包吧 | NeurIPS 2019

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论文提出stand-alone self-attention layer，并且构建了full attention model，验证了content-based的相互关系能够作为视觉模型特征提取的主要基底。在图像分类和目标检测实验中，相对于传统的卷积模型，在准确率差不多的情况下，能够大幅减少参数量和计算量，论文的工作有很大的参考意义
 
来源：【晓飞的算法工程笔记】 公众号

论文: Stand-Alone Self-Attention in Vision Models

Introduction

  目前卷积网络的设计是提高图像任务性能的关键，而卷积操作由于平移不变性使其成为了图像分析的主力。受限于感受域的大小设定，卷积很难获取长距离的像素关系，而在序列模型中，已经能很好地用attention来解决这个问题。目前，attention模块已经开始应用于传统卷积网络中，比如channel-based的attention机制 Squeeze-Excite和spatially-aware的attention机制Non-local Network等。这些工作都是将global attention layers作为插件加入到目前的卷积模块中，这种全局形式考虑输入的所有空间位置，当输入很小时，由于网络需要进行大幅下采样，通常特征加强效果不好
  因此，论文提出简单的local self-attention layer，将内容之间的关系(content-based interactions)作为主要特征提取工具而不是卷积的增强工具，能够同时处理大小输入，另外也使用这个stand-alone attention layer来构建全attention的视觉模型，在图像分类和目标定位上的性能比全卷积的baseline要好

Background

Convolution

  卷积神经网络(CNN)通常学习小范围(kernel sizes)的局部特征，对于输入x\in \mathbb{R}^{h\times w\times d_{in}}，定义局部像素集\mathcal{N}_k为像素x_{i,j}周围k区域的像素，大小为k\times k\times d_{in}，如图1

  对于学习到的权重W\in \mathbb{R}^{k\times k\times d_{out}\times k_{in}}，位置ij的输出y_{ij}\in \mathbb{R}^{d_{out}}通过公式1计算所得，其中\mathcal{N}_k(i,j)=\{a,b|\ |a-i|\le k/2,|b-j|\le k/2\}，CNN使用权重共享，W用于所有像素位置ij的输出，权重共享使得特征具有平移不变性以及降低卷积的参数量。目前有一些卷积的变种用以提高预测的表现，比如深度分离卷积

Self-Attention

  与传统的attention不同，self-attention应用于单个context而不是多个context间，能够直接建模context内长距离的交互信息，论文提出stand-alone self-attention layer用来替代卷积操作，并且构建full attention模型，这个attention layer主要是对之前的工作的一个简化

  与卷积类似，对于像素x_{ij}\in \mathbb{R}^{d_{in}}，首先会取x_{ij}的k范围内的局部区域像素ab\in \mathcal{N}_k(i,j)，称为memory block。与之前的all-to-all attention不同，这个attention只在局部区域进行attention操作，全局attention只有在特征大小大幅减少后才能使用，不然会带来很大的计算开销

  single-headed attention计算如公式2，输出像素y_{ij}\in \mathbb{R}^{d_{out}}，首先对输入向量进行三种变化得到3个值，查询像素queriesq_{ij}=W_Qx_{ij}，关键词像素keysk_{ab}=W_Kx_{ab}以及值valuesv_ab=W_Vx_{ab}为像素ij和其附近像素的线性变化，softmax_{ab}应用于所有q_{ij}^\top k_{ab}，W_Q,W_K,W_V\in \mathbb{R}^{d_{out}\times d_{in}}为学习到的变化。与公式1的卷积类似，local self-attention通过结合混合权重(softmax_{ab}(\cdot))与值向量进行输出，每个位置ij都重复上述步骤
  在实际中，使用multiple attention heads来学习输入的多个独立表达，将像素特征x_{ij}分为N组x_{ij}^n\in \mathbb{R}^{d_{in}/N}，每个head用不同的变化W_Q^n,W_K^n,W_V^n\in R^{d_{out}/N\times d_{in}/N}进行single-headed attention计算，最后将结果concatenate成最终的输出y_{ij}\in \mathbb{R}^{d_{out}}

  公式2中没有使用位置信息，而之前的研究指出相对位置编码能提升self-attention带来明显的提升。因此，使用二维相对位置编码(relative attention)，将行偏移a-i和列偏移b-j的编码进行concatenate成r_{a-i,b-j}，如图4，最后将公式2变成公式3的spatial-relative attention，同时考虑query和key的内容间的相似性以及相对位置。由于考虑了相对位置，self-attention也拥有了类似卷积的平移不变性。另外，参数量的计算跟空间区域的大小无关，只稍微d_{in}和d_{out}有关，而且增长很慢

Fully Attentional Vision Model

Replacing Spatial Convolution

  空间卷积为区域1" class="equation" src="https://juejin.im/equation?tex=k%3E1">的卷积，论文将所有的空间卷积替换成attention layer，若需要下采样，则在层后接一个stride为2的2\times 2平均池化。整体模型基于ResNet系列，将bottleneck block中的3\times 3卷积替换成公式3的self-attention layer，其余不变

Replacing the Convolutional Stem

  卷积神经网络的初始几层称为stem，主要用于学习例如边(edge)的局部特征，后面的层用来分辨整体目标。stem与核心block结构不一样，一般主要为轻量级的下采样操作。在ResNet中，stem由stride为2的7\times 7卷积接stride为2的3\times 3的max pooling组成。而stem中的内容包含RGB像素，这些像素是高度空间相关的，独立起来则失去了意义，没有丰富的content信息，使用content-based的公式3(会基于内容softmax weight)来替换stem中的卷积层会十分困难

  卷积的卷积核不同位置有不同的权重，有利于学习特定的边特征，为了减少这个偏差，在pointwise的1\times 1卷积(W_V)中加入距离相关的信息进行空间的线性变化，得到\tilde{v}_{ab}=(\sum_m p(a,b,m)W_V^m)x_{ab}，为多值矩阵W_V^m是与邻近像素的p(a,b,m)的凸组合，p(a,b,m)可以认为是多值矩阵的权重。由于不同相对位置的emb不同，所以同一个像素点在不同的相对距离下就有不同的值，类似与卷积的属性，有利于边特征学习

Experiments

ImageNet Classification

  multi-head self-attention的区域范围k=7，8个attention head，stem在原图的4\times 4区域进行self-attention，后接一个batch normalization和4\times 4的max pool。从结果来看，对比ResNet-50，full attention准确率高0.7%，参数量和计算量分别少12%和29%

COCO Object Detection

  基于RetinaNet进行主干网络和FPN的替换进行实验，使用attention-based主干准确率差不多，且能够直接减少22%参数，而对主干网络和FPN同时替换成attention layer则能进一步下降34%参数和39%计算量

Where is stand-alone attention most useful

  • Stem

  从表1、表2和图5可以看出，对于分类，convolution stem表现较好，对于目标检测，在FPN为卷积时，convolution stem表现较好，而当其它部分都为full attention时，则表现差不多

  • Full network

  论文比较有意思，基于convolution stem，将替换的粒度精确到某一个group，将convolution用在前面的group能够提升性能，相反则会造成下降，论文解释为卷积能更好地提取低维特征，但是这里应该是同一维度的，所以这里值得商榷

Which components are important in attention?

  • Effect of spatial extent of self-attention

  • Importance of positional information

  论文对比公式3中r_{a-i,b-i}的位置编码，相对位置编码准确率最高

  表6结果表明，content-relative的交互信息(q\cdot r)是比较重要的

  • Importance of spatially-aware attention stem

CONCLUSION

  论文提出stand-alone self-attention laer，并且构建了full attention model，验证了content-based的相互关系能够作为视觉模型特征提取的主要基底。在图像分类和目标检测实验中，相对于传统的卷积模型，在准确率差不多的情况下，能够大幅减少参数量和计算量，论文的工作有很大的参考意义

 
 
 

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