写在前面
目前，Transformer在计算机视觉方面取得了巨大的成功，但是如何在图像中更加有效的分割patch仍然是一个问题。现有的方法通常是将图片分成多个固定大小的patch，然后进行embedding，但这可能会破坏图像中的语义。
为了解决这个问题，作者提出了一个可变形的分patch(DePatch)模块，它以数据驱动的方式将图像自适应地分割成具有不同位置和大小的patch，而不是使用预定义的固定patch分割方式。通过这个方法，就可以避免原来方法对语义信息的破坏，很好地保留patch中的语义信息。
DePatch模块可以作为一个即插即用的模块，嵌入到不同的Transformer结构中，以实现端到端训练。作者将DePatch模块嵌入到Pyramid Vision Transformer (PVT)中，得到一个新的Transformer结构，Deformable Patch-based Transformer (DPT) 。
最后作者在分类和检测任务上进行了实验，结果表明，DPT在ImageNet分类上的准确率为81.9%；在MSCOCO数据集上，使用RetinaNet进行目标检测的准确率为43.7% box mAP，使用MaskR-CNN的准确率为44.3%。
论文和代码地址
DPT: Deformable Patch-based Transformer for Visual Recognition
论文：https://arxiv.org/abs/2107.14467
代码：https://github.com/CASIA-IVA-Lab/DPT
Motivation
近年来，Transformer在自然语言处理和语音识别方面取得了重大进展，逐渐成为序列建模任务的主流方法。受此启发，一些研究者成功地将Transformer应用于计算机视觉领域，并在图像分类、目标检测和语义分割等方面取得了良好的性能。
与NLP任务类似，Transformer通常将输入图像分成一系列固定大小的patch，然后通过Multi-head Self-Attention来建模不同patch之间的上下文关系。与卷积神经网络相比，Transformer可以有效地捕获序列内的长距离依赖关系，提取的特征包含更多的语义信息。虽然目前Vision Transformer在CV任务中达到了比较不错的效果，但依旧存在一些问题。目前的工作大多都没有考虑图像的内容信息，使用了一个固定大小的patch embedding。这种“hard” patch分割方法可能会带来两个问题：1）图像中对象的局部结构被拆分 。（一个固定的patch很难捕获完整的与对象相关的局部结构，因为对象在不同的图像中具有不同的尺度。如上图a所示，老鹰的尾巴、头等局部结构都被拆分到了不同patch中）2）不同图像之间的语义不一致性 。（不同图像中的同一对象可能有不同的几何变化（缩放、旋转等）。分割图像patch的固定方法忽略了这种变化，可能将不同图片中的同一对象处理成不同的信息。）因此，这些固定的patch分割方法可能会破坏语义信息，从而导致性能下降。为了解决上述问题，本文提出了一个新的模块（DePatch），以一种可变形的方式对图像进行分割，从而在一个patch中保留语义信息，减少图像分割造成的语义破坏。具体实现上，DePatch模块能够根据输入的视觉特征，学习每个patch的偏移（offset）和大小（scale），从而生成可变形的patch（如上图b所示）。此外这是一个轻量级的即插即用模块，能够被用于各种Transformer结构中。在本文，作者将DePatch模块嵌入到了Pyramid Vision Transformer (PVT)中，形成Deformable Patch-based Transformer（DPT）。通过自适应调整的可变形patch，DPT能够基于局部的上下文信息为每个patch生成完整、鲁棒、有辨别性的特征。
方法
3.1. 回顾Vision Transformer
Vision Transformer由三部分组成，分别是：patch embedding层、Multi-head Self-Attention（MSA）层和feed-forward multi-layer perceptrons（MLP）层。网络从patch embedding层开始，该模块将输入图像转换为一系列token序列，然后通过MSA和MLP，获得最终的特征表示。patch embedding层将图像划分为固定大小和位置的patch，然后将他们通过一个线性的embedding层转换到token。我们用一个的张量表示输入的图像特征，先前的工作就是将特征转换到固定大小的N个patch，每个patch的大小为：现在我们将分Patch的过程，仔细的展开讲一下，第i个patch可以被看做是一个矩形区域，这个矩形的中心坐标可以表示为：因为Patch的大小和位置是固定的，所以就能够计算出这个patch左上角和右下角的坐标：每个patch中有个像素，这些像素的坐标可以表示为：将这些特征铺平，并由线性层处理，就能够获得当前patch的embedding的表示：MSA聚合了整个输入序列上的相对信息，给每个token都能有全局感知。首先将这些token embedding到三个不同的空间Q、K、V，然后Q和K相乘得到attention map，再将attention map与V相乘得到新的特征：
3.2. DePatch模块
上面描述的patch embedding过程是固定不变的。位置（、）和大小𝑠是固定的，因此每个patch的矩形区域不可更改。为了更好地定位重要的结构和处理几何变形，作者提出了一个可变形的patch embedding。首先，作者将每个patch的位置和大小转换为基于输入内容的预测参数。对于每一个位置，模型预测了一个偏移量（，），允许patch围绕着原始中心移动。至于大小，模型只需用预测的和替换固定的patch大小的𝑠。这样就可以得到一个新的矩形区域，将其左上角表示为（，，右下角表示为（，）。根据预测的，（，和（，）可以表示为：如上图所示，作者添加了一个新的分支来预测这些参数。基于输入特征图，模型首先预测所有patch的参数，然后将其预测区域的特征进行embedding。其中，是一个线性层。在训练的开始，初始化为s，其他所有的参数都被初始化为0（为了保证最开始优化的时候，就是以前ViT的patch embedding方法）。在确定矩形区域后，就可以提取每个patch的特征。现在主要的问题是区域具有不同的大小，并且预测的坐标通常是小数的。作者采用采样和插值的方式解决了这个问题。给定区域的左上角和右下角坐标（𝑥_1，𝑦_1)和（𝑥_2，𝑦_2），作者首先在区域内均匀的采样了k \times k个点，其中k是一个超参数。embedding的过程为将采样点的特征用FC进行embedding，得到patch embedding：采样点的坐标大多是小数的，在计算采样点的特征是，作者采用了双线性插值，用周围点的特征，通过双线性插值得到当前点的特征：
3.3. Overall Architecture
上图展示了VPT和DPT的结构，左边为VPT的结构，右边为DPT的结构。DePatch是一个自适应的模块，可以改变patch的位置和大小。由于DePatch可以作为一个即插即用模块，因此很容易地可以将DePatch合并到各种Vision Transformer中。作者基于PVT实现了DPT，PVT有四个stage，因此就有四个不同尺度的特征（上图左）。作者将PVT中stage2、stage3、stage4的patch embedding模块换成了DePatch，其他设置保持不变（上图右）。
实验
4.1. Image Classification
如上表所示，最小的DPT-Tiny获得了77.4%的top-1精度，比相应的baseline PVT模型高出2.3%。DPT-Medium实现了81.9%的top-1精度，甚至优于具有更多参数和计算量的模型，如PVT-Large和DeiT-Base。
4.2. Object Detection
上表比较了DPT与PVT、ResNe(X)t的结果。在相似的计算量下，DPTSmall的性能比PVT-Small好2.1% mAP、比Resnet50好6.2% mAP。Mask-RCNN上的结果相似。DPT-Small模型在1×schedule下，实现了43.1%的box mAP和39.9%的mask mAP，比PVT-Small高出2.7%和2.1%。在DETR上，DPT-Small实现了37.7%的box mAP，比PVT-Small高3.0%，比ResNet50高5.4%。
4.3. Ablation Studies
Effect of module position
在PVT中，有四个patch embedding模块，第一个直接操作输入图像，其余的操作上一个stage输出的特征。由于原始图像包含的语义信息很少，因此第一个模块很难预测其自身区域之外的偏移量和大小。因此，作者只尝试替换其余的三个patch embedding模块。结果见上表。第2阶段、第3阶段和第4阶段获得的提升分别为0.3%、1.0%和1.5%。替换的patch embedding模块越多，得到的提升就越多。
Effect of number of sampling points
作者通过实验来探究应该在一个预测区域采样多少点。采样更多的点会略微增加FLOPs，但也能根据更大的区域获取特征。将采样点从2×2增加到3×3又提高了0.8%，而进一步增加到4×4仅提高了0.2%。由于采样4×4点只得到很少改善。在实验中，作者将𝑘=3作为默认配置。
采样更多的点将有利于DPT与更强的能力，从更大的区域提取特征。从上图可以看出，随着采样点数量的增加，模型预测的scale也会增大。
Decouple offsets and scales
DePatch学习了每个patch的偏移量和大小。作者解耦了这两个因素，以探究每个因素如何影模型，结果如上表所示。只有预测偏移量能比baseline提高1.5%，再预测scale得到0.8%的提升。
Analysis for fast convergence
从上图可以看出，加入DePatch之后，模型的收敛速度加快。
Effect of parameter initialization
4.4. 可视化
上图说明了DePatch预测的patch位置和大小良好，可以捕获重要特征。
总结
本文介绍了一种用于Patch分割的可变形模块DePatch，避免了以前方法分Patch时对模型性能造成的损失。它促使模型从对象相关区域提取Patch信息，使模型对几何变形更加鲁棒。该模块可作为即插即用模块，改进各种Vision Transformer结构，因此作者在PVT上加入了DePatch模块，得到DPT。大量的图像分类和目标检测实验表明，DPT可以提取更好的特征，其性能优于基于CNN的模型和其他Vision Transformer结构。
厦门大学人工智能系20级硕士
研究领域：FightingCV公众号运营者，研究方向为多模态内容理解，专注于解决视觉模态和语言模态相结合的任务，促进Vision-Language模型的实地应用。
知乎/公众号：FightingCV
