Swin Transformer详解

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@[TOC](Swin Transformer详解)

论文地址：https://arxiv.org/pdf/2103.14030.pdf
代码地址：https://github.com/microsoft/Swin-Transformer

本文一共分为三个部分，首先介绍Swin Transformer的整体架构，随后会介绍每个模块的作用，中间会穿插部分代码。本文的主要目的还是希望能够将Swin Transformer解释清楚，然后结合官方代码来理解

一、Overall Architecture

首先给出论文中的Swin Transformer架构图

左边是Swin Transformer的全局架构，它包含Patch Partition、Linear Embedding、Swin Transformer Block、Patch Merging四大部分，这四大部分我们之后会进行详细的介绍

右边是Swin Transformer Block结构图，这是两个连续的Swin Transformer Block块，一个是W-MSA，一个是SW-MSA，也就是说根据Swin的Tiny版本，图中的Swin Transformer Block块为[2, 2, 6, 2]，相对应的attention为：stage1 W-MSA-->SW-MSA – stage2 W-MSA-->SW-MSA – stage3 W-MSA-->SW-MSA-->W-MSA-->SW-MSA-->W-MSA-->SW-MSA – stage4 W-MSA-->SW-MSA

二、Swin Transformer

下面的维度等均是基于Swin-T版本

1. Patch Partition & Linear Embedding

输入为(B, 3, 224, 224)
输出为(B, 96, 56, 56) —> (B, 96, 224/4=56, 224/4=56)

这两步在论文中其实就是一步实现，我们先来看paper中的解释：

  • Patch Partition，这一步是将输入的(H, W, 3)的图片分成(4, 4)的小块，分块后的图片大小为(H/4, W/4, 48)也就是文中所给的维度
  • Linear Embedding，在Tiny版本中，将分块后的图像映射到96维

在真正实现的时候paper使用了PatchEmbed函数将这两步结合起来，实际上也就是用了一个卷积的操作，卷积核大小为(4, 4)，步长为4：nn.Conv2d(in_chans, embed_dim, kernel_size=patch_size, stride=patch_size)

下面图示此过程

2. Basic Layer

在官方的代码库中，将Swin Transformer Block和Patch Merging合并成了一个，叫做Basic Layer，下面我们分别介绍这两者

Swin Transformer Block

输入为(B, 3136, 96)
输出为(B, 3136, 96)
就是把上一步的(4, 96, 56, 56)后两维度合并变为(4, 96, 3136)，然后后两维互换(4, 3136, 96)

Swin Transformer Block的输入输出不变，每两个连续Block为一组，即一个Window Multi-head Self-Attention和一个Shifted Window Multi-head Self-Attention

下面是paper中的Swin Transformer Block示例图

从图中我们可以看出每两个连续Block块有四小步：

1. 第一个Block

  • 首先特征图经过Layer Norm层，经过W-MSA，然后进行跳跃连接
  • 连接后的特征图再次经过Layer Norm层，经过全连接层MLP，然后进行跳跃连接

2. 第二个Block

  • 首先特征图经过Layer Norm层，经过SW-MSA，然后进行跳跃连接
  • 连接后的特征图再次经过Layer Norm层，经过全连接层MLP，然后进行跳跃连接

从上面四步可以看出Swin Transformer Block清晰的执行步骤，其中比较难理解的是W-MSA和SW-MSA，下面我们详细介绍二者，并介绍由二者引出的一些细节

（1）first block

包含两个主要模块，W-MSA和MLP
输入为(B, 3136, 96)
输出为(B, 3136, 96)

W-MSA

window partition

W-MSA在第一个block中，这一步没有滑动窗，输入为(B, 3136, 96)，为了后面的sefl-attention操作，需要将特征图划分为一个个窗口的形式，首先经历了一个window partition操作，变为(64B, 7, 7, 96)

怎么计算的呢？输入为batch=B，3136=56*56，特征图有96个，将每个特征图56*56分为7*7的窗口，一共能分8*8=64个，乘上之前的B就是64B了，就是说将特征图分为(7, 7)的小窗，然后把所有的小窗拿出来一共有64B个，示例图如下

==为什么要进行window partition？在Vision Transformer中，我们将图片分成了一个个patch（也就是左边的图），在进行MSA时，任何一个patch都要与其他所有的patch都进行attention，当patch的大小固定时，计算量与图片的大小成平方增长。Swin Transformer中采用了W-MSA，也就是window的形式，不同的window包含了相同数量的patch，只对window内部进行MSA，当图片大小增大时，计算量仅仅是呈线性增加（只增加了图片多余部分的计算量，比如之前是224的图像，现在是256的图像，只多了256-224=32像素的计算部分），下面详细介绍window attention部分==

window attention

将窗口分配完成后就可以执行attention操作了，首先我们将维度变为(64B, 49, 96)，进行attention操作时，我们需要qkv三个变量，transformer是通过linear函数来实现的：nn.Linear(dim, dim * 3, bias=qkv_bias)，通过这个函数后，维度变为(64B, 49, 288)，qkv分别占三分之一，也就是说qkv分别为(64B, 49, 96)，第一个阶段的head为3，维度划分为(64B, 3, 49, 32)

此时qkv的值如下所示，这就是进行attention时qkv的维度

  • q: (64B, 3, 49, 32)
  • k: (64B, 3, 49, 32)
  • v: (64B, 3, 49, 32)

接下来就是进行attention操作，熟悉transformer的同学肯定很容易理解

注意这里加了一个偏置B，在最后会详细介绍相对位置偏置（Relative Position Bias）的原理

window reverse

所有attention步骤执行完之后就可以回到attention之前的维度(64B, 7, 7, 96)，然后我们经过一个window reverse操作就可以回到window partition之前的状态了，即(B, 56, 56, 96)。window reverse就是window partition的逆过程

总结：这里总结一下W-MSA所做的事情，首先进行window partition操作，维度从(B, 3136, 96)也就是(B, 56, 56, 96)变为(64B, 7, 7, 96)；随后进行attention操作，先经过一个线性层维度变为三倍来为qkv分别赋值(64B, 49, 96*3): qkv(64B, 49, 96)，随后根据multi-head操作在将qkv分别分成三份，(64B, 3, 49, 32)，最后进行attention操作（即上面的公式），然后通过window reverse回到最初的状态(B, 56, 56, 96)，也就是(B, 3136, 96)，下面图示了这一阶段的过程

MLP

输入为(4, 3136, 96)
输出为(4, 3136, 96)

再经过第二个Block之前要先经过一个MLP，其中结构为

Linear(96, 96*4)——GELU()——Linear(96*4, 96)——Dropout

最终维度并不发生变化

（2）second block

包含两个主要模块，SW-MSA和MLP
输入为(4, 3136, 96)
输出为(4, 3136, 96)

与第一个Block唯一不同的地方就是SW-MSA模块，所以这里仅讲解此模块

SW-MSA

与W-MSA不同的地方在于这个模块存在滑动，所以叫做shifted window，滑动的距离为win_size//2在这里也就是7//2=3，这里用image(4, 4) win(2, 2) shift=1来图示他的shift以及mask机制

这里先给出Github上有助于理解此机制的提问：链接

为什么要用mask机制呢，Swin Transformer与Vision Transformer相比虽然降低了计算量，但缺点是同一个window里面的patch可以交互，window与window之间无法交互，所以考虑滑动窗的方法，如上图所示，滑动过后为了保证图片的完整性，我们将上面和左边的图补齐到右边，这又带来了一个缺点：图片的右端和补齐的图片本身并不是相邻的，所以无法交互，解决办法就是mask

Swin Transformer的mask机制是说，如果相互交互的patch属于同一个区域（对应于上图的颜色），那么就可以正常交互，如果不是同一个区域（对应于上图的不同颜色），那么他们交互之后就需要加上一个很大的负值，这样通过softmax层之后本来不能交互的那个像素就变成0了，这就是mask机制

这里附上Github上讨论的一个源码，由此可以直接看到mask是如何运行的，这个代码与我上述的图是对应的

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import torch
import torch.nn as nn


def window_partition(x, window_size):
    """
    Args:
        x: (B, H, W, C)
        window_size (int): window size

    Returns:
        windows: (num_windows*B, window_size, window_size, C)
    """
    B, H, W, C = x.shape
    x = x.view(B, H // window_size, window_size, W // window_size, window_size, C)
    windows = x.permute(0, 1, 3, 2, 4, 5).contiguous().view(-1, window_size, window_size, C)
    return windows


window_size = 2
shift_size = 1
H, W = 4, 4
img_mask = torch.zeros((1, H, W, 1))  # 1 H W 1
h_slices = (slice(0, -window_size),
            slice(-window_size, -shift_size),
            slice(-shift_size, None))
w_slices = (slice(0, -window_size),
            slice(-window_size, -shift_size),
            slice(-shift_size, None))

cnt = 0
for h in h_slices:
    for w in w_slices:
        img_mask[:, h, w, :] = cnt
        cnt += 1

mask_windows = window_partition(img_mask, window_size)  # nW, window_size, window_size, 1
mask_windows = mask_windows.view(-1, window_size * window_size)
attn_mask = mask_windows.unsqueeze(1) - mask_windows.unsqueeze(2)
attn_mask = attn_mask.masked_fill(attn_mask != 0, float(-100.0)).masked_fill(attn_mask == 0, float(0.0))
attn_mask = attn_mask.unsqueeze(1).unsqueeze(0)
print(attn_mask)

"""
tensor([[[[[   0.,    0.,    0.,    0.],
           [   0.,    0.,    0.,    0.],
           [   0.,    0.,    0.,    0.],
           [   0.,    0.,    0.,    0.]]],


         [[[   0., -100.,    0., -100.],
           [-100.,    0., -100.,    0.],
           [   0., -100.,    0., -100.],
           [-100.,    0., -100.,    0.]]],


         [[[   0.,    0., -100., -100.],
           [   0.,    0., -100., -100.],
           [-100., -100.,    0.,    0.],
           [-100., -100.,    0.,    0.]]],


         [[[   0., -100., -100., -100.],
           [-100.,    0., -100., -100.],
           [-100., -100.,    0., -100.],
           [-100., -100., -100.,    0.]]]]])
"""

Patch Merging

在每个Stage结束的阶段都有一个Patch Merging的过程，这个过程会让输入进行降维，同时通道变为原来的二倍，用一个图来清晰的展示此过程，图示如下

上面说到过Swin的作用是使得patch交互的区域变大，另一种使其变大的方法就是这里提到的Patch Merging，在每个阶段结束之后，将特征图的维度减半，channel加倍，在保持patch和window不变的情况下相当于变相提高了patch和window的感受野，使其效果更好

到这里Swin Transformer的一个stage就已经讲完了，其余的Stage和上面讲述的完全一致，为了再次强化Swin Transformer的整个流程，下面是整个流程展示，其中加粗部分为我们已经走过的流程（这里依然是Swin-Tiny版本）

input-->patch partition-->linear embedding
stage1 W-MSA-->MLP-->SW-MSA-->MLP
stage2 W-MSA-->MLP-->SW-MSA-->MLP
stage3 W-MSA-->MLP-->SW-MSA-->MLP *3
stage4 W-MSA-->MLP-->SW-MSA-->MLP-->tail process

三、Supplement

Relative Position Bias

到这里整个Swin Transformer就已经讲完了，还记得attention中加了一个bias B吗，这里对其进行讲解，依旧取win=2，如下所示

这里的相对位置偏置这样理解，在窗口中任意选定一个坐标，遵循左+右-上+下-的原则，可以发现当我们将左上角的值为(0, 0)时，他右边的位置为(0, -1)减了1，下面的位置为(-1, 0)也减了1，同理将其他位置设为(0, 0)时，结果分别如图所示

然后我们将其展开，执行：行列分别加M-1=2-1=1，行标乘2M-1=3，最终可以得到下图，然后需要注意的是最大值为8，也就是说一共有9个索引，为什么有四个像素，按理来说为4*4=16个位置，只有9个索引呢？这是因为是相对位置编码位置有重复，又因为win=2，所以行和列的索引均为[-1, 1]，一共3*3=9种组合，即九个相对位置索引，因此相对位置索引表一共有9个数字，如下图所示

其中上面是索引表（9个数），下面是索引后的结果

为了更清晰的认识相对位置偏置，这里给出一个简单的example

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# relative_position_bias_table (1, 9)
relative_position_bias_table = torch.tensor([10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90])

# relative_position_index (4, 4)
window_size = [2, 2]
coords_h = torch.arange(window_size[0])
coords_w = torch.arange(window_size[1])
coords = torch.stack(torch.meshgrid([coords_h, coords_w]))  # 2, Wh, Ww
coords_flatten = torch.flatten(coords, 1)  # 2, Wh*Ww
relative_coords = coords_flatten[:, :, None] - coords_flatten[:, None, :]  # 2, Wh*Ww, Wh*Ww
relative_coords = relative_coords.permute(1, 2, 0).contiguous()  # Wh*Ww, Wh*Ww, 2
relative_coords[:, :, 0] += window_size[0] - 1  # shift to start from 0
relative_coords[:, :, 1] += window_size[1] - 1
relative_coords[:, :, 0] *= 2 * window_size[1] - 1
relative_position_index = relative_coords.sum(-1)  # Wh*Ww, Wh*Ww

# index (4, 4)
table = relative_position_bias_table[relative_position_index.view(-1)].view(window_size[0]*window_size[1], window_size[0]*window_size[1], -1)
table = table.permute(2, 0, 1).contiguous().unsqueeze(0)

print("relative_position_index\n", relative_position_index)
print(table)

'''
relative_position_index
 tensor([[4, 3, 1, 0],
        [5, 4, 2, 1],
        [7, 6, 4, 3],
        [8, 7, 5, 4]])
tensor([[[[50, 40, 20, 10],
          [60, 50, 30, 20],
          [80, 70, 50, 40],
          [90, 80, 60, 50]]]])
'''

到这里Swin Transformer就讲完啦，但是因为写的比较仓促有一些地方讲的不够细致，还有关于FLOPs运算的细节没有讲到，后面有时间会再补充～

harryteaustc

computer vision
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