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告别CNN？一张图等于16x16个字，计算机视觉也用上Transformer了


告别CNN？一张图等于16x16个字，计算机视觉也用上Transformer了文章插图
告别CNN？一张图等于16x16个字，计算机视觉也用上Transformer了文章插图
编译 | 凯隐
出品 | AI科技大本营（ID:rgznai100）
Transformer是由谷歌于2017年提出的具有里程碑意义的模型 ， 同时也是语言AI革命的关键技术 。 在此之前的SOTA模型都是以循环神经网络为基础（RNN, LSTM等） 。 从本质上来讲 ， RNN是以串行的方式来处理数据 ， 对应到NLP任务上 ， 即按照句中词语的先后顺序 ， 每一个时间步处理一个词语 。
相较于这种串行模式 ， Transformer的巨大创新便在于并行化的语言处理：文本中的所有词语都可以在同一时间进行分析 ， 而不是按照序列先后顺序 。 为了支持这种并行化的处理方式 ， Transformer依赖于注意力机制 。 注意力机制可以让模型考虑任意两个词语之间的相互关系 ， 且不受它们在文本序列中位置的影响 。 通过分析词语之间的两两相互关系 ， 来决定应该对哪些词或短语赋予更多的注意力 。
相较于RNN必须按时间顺序进行计算 ， Transformer并行处理机制的显著好处便在于更高的计算效率 ， 可以通过并行计算来大大加快训练速度 ， 从而能在更大的数据集上进行训练 。 例如GPT-3(Transformer的第三代)的训练数据集大约包含5000亿个词语 ， 并且模型参数量达到1750亿 ， 远远超越了现有的任何基于RNN的模型 。
现有的各种基于Transformer的模型基本只是与NLP任务有关 ， 这得益于GPT-3等衍生模型的成功 。 然而 ， 最近ICLR 2021的一篇投稿文章开创性地将Transformer模型跨领域地引用到了计算机视觉任务中 ， 并取得了不错地成果 。 这也被许多AI学者认为是开创了CV领域的新时代 ， 甚至可能完全取代传统的卷积操作 。
论文链接：
其中 ， Google的Deepmind 研究科学家Oriol Vinyals的看法很直接：告别卷积 。
以下为该论文的详细工作：
告别CNN？一张图等于16x16个字，计算机视觉也用上Transformer了文章插图
【告别CNN？一张图等于16x16个字，计算机视觉也用上Transformer了】基本内容
Transformer的核心原理是注意力机制 ， 注意力机制在具体实现时主要以矩阵乘法计算为基础 ， 这意味着可以通过并行化来加快计算速度 ， 相较于只能按时间顺序进行串行计算的RNN模型而言 ， 大大提高了训练速度 ， 从而能够在更大的数据集上进行训练 。
此外 ， Transformer模型还具有良好的可扩展性和伸缩性 ， 在面对具体的任务时 ， 常用的做法是先在大型数据集上进行训练 ， 然后在指定任务数据集上进行微调 。 并且随着模型大小和数据集的增长 ， 模型本身的性能也会跟着提升 ， 目前为止还没有一个明显的性能天花板 。
Transformer的这两个特性不仅让其在NLP领域大获成功 ， 也提供了将其迁移到其他任务上的潜力 。 此前已经有文章尝试将注意力机制应用到图像识别任务上 ， 但他们要么是没有脱离CNN的框架 ， 要么是对注意力机制进行了修改 ， 导致计算效率低 ， 不能很好地实现并行计算加速 。 因此在大规模图片分类任务中 ， 以ResNet为基本结构的模型依然是主流 。
这篇文章首先尝试在几乎不做改动的情况下将Transformer模型应用到图像分类任务中 ， 在 ImageNet 得到的结果相较于 ResNet 较差 ， 这是因为Transformer模型缺乏归纳偏置能力 ， 例如并不具备CNN那样的平移不变性和局部性 ， 因此在数据不足时不能很好的泛化到该任务上 。
然而 ， 当训练数据量得到提升时 ， 归纳偏置的问题便能得到缓解 ， 即如果在足够大的数据集上进行与训练 ， 便能很好地迁移到小规模数据集上 。
在此基础上 ， 作者提出了Vision Transformer模型 。 下面将介绍模型原理 。


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