【Paper Note】Swin Transformer: Hierarchical ViT using Shifted Windows

Swin Transformer: Hierarchical ViT using Shifted Windows

论文信息
概述
核心思想
整体结构
- 名词解释
- 与vit区别
模型处理过程
模型使用及代码

论文信息

论文全名：Swin transformer: Hierarchical vision transformer using shifted windows
发表期刊/会议：Proceedings of the IEEE/CVF international conference on computer vision
论文链接：https://arxiv.org/abs/2103.14030
引用：Liu Z, Lin Y, Cao Y, et al. Swin transformer: Hierarchical vision transformer using shifted windows.Proceedings of the IEEE/CVF international conference on computer vision. 2021: 10012-10022.

概述

1.SwinTransformer想设计一个可以作为密集预测任务的Transformer Backbone，其采用PatchMerging的策略，构建了层次化的特征，使得其可以作为密集预测任务的Backbone。
2.同时考虑到密集预测任务中，tokens数目太多导致计算量过大的问题，其采用一种在local window内部计算Self-Attention的机制去降低计算复杂度，使得整体计算复杂度由O(N^2)降低至O(N)水平。
3.为了弥补Local Self-Attention带来了远程依赖关系缺失的问题，其创新性地采用了Shift Window操作，引入了不同window之间的关系，并且在精度以及速度上都超越了简单的Sliding Window的方法。

核心思想

Swin Transformer就是想让 Vision Transformer像卷积神经网络一样，也能够分成几个 block（分组计算），也能做层级式的特征提取，从而导致提出来的特征有多尺度的概念

分组计算的复杂度优势

原生 Transformer 对 N 个 token 做 Self-Attention ，复杂度为 NxN，
0 Swin Transformer 将 N 个 token 拆为 N/n 组，每组 n （n设为常数）个token 进行计算，复杂度降为 [N*nxn] ，考虑到 n 是常数，那么复杂度其实为N。

分组计算导致的问题和解决方式

其一是分组后 Transformer 的视野局限于 n 个token，看不到全局信息
- 对于问题一，Swin Transformer 的解决方案即 Hierarchical，每个 stage 后对 2x2 组的特征向量进行融合和压缩（空间尺寸HxW变成0.5Hx0.5W，特征维度C->4C->2C ），这样视野就和 CNN-based 的结构一样，随着 stage 逐渐变大。
其二是组与组之间的信息缺乏交互。
- 对于问题二，Swin Transformer 的解决方法是 Shifted Windows，

整个Swin Transformer其实最重要的就两个点：

相对位置信息
- 核心点在于可以把每种相对位置信息和att对应的一行信息对应上
移动窗口注意力机制
- 移动窗口注意力机制核心点在于mask，mask矩阵的生成是通过窗口索引tensor相减得到的；

综合就是两个优点：

相比于ViT，Swin Transfomer 计算复杂度大幅度降低，具有输入图像大小线性计算复杂度。
Swin Transformer随着深度加深，逐渐合并图像块来构建层次化Transformer，可以作为通用的视觉骨干网络，应用于图像分类、目标检测和语义分割等任务。

Swin transformer和viT的架构不同之处：
在这里插入图片描述

整体结构

在这里插入图片描述
上图有四个stage，每个stage都会缩小输入特征图的分辨率，像CNN一样逐层扩大感受野。
流程解释：

在输入开始的时候，做了一个Patch Embedding，将图片切成一个个图块，并嵌入到Embedding。
在每个Stage里，由Patch Merging和多个Block组成
Patch Merging模块主要在每个Stage一开始降低图片分辨率
Block具体结构如右图所示，主要是LayerNorm（LN），MLP(Multilayer Perceptron多层感知器)，Window Attention 和 Shifted Window Attention组成

名词解释

假设输入图片的尺寸为224X224，先划分成多个大小为4x4像素的小片，每个小片之间没有交集。

patch：224/4=56，那么一共可以划分56x56个小片。每一个小片就叫一个patch，
token：每一个patch将会被对待成一个token。所以patch=token。
window：而一张图被划分为7x7个window，每个window之间也没有交集。那么每个window就会包含8x8个patch

与vit区别

patch大小：与ViT一样对于输入的图像信息先做一个PatchEmbed操作将图像进行切分后打成多个patches传入进行后续的处理，但与ViT不同的是初始的切分不再以16 * 16的大小，而是以4 * 4的大小（为了看到更多细节）
PatchMerging且后续通过PatchMerging的操作不断增加尺寸，进而可以得到多尺度信息便于在目标检测和语义分割中的使用
位置编码：ViT在输入会给embedding进行位置编码。
Swin-T这里则是作为一个可选项（self.ape），Swin-T是在计算Attention的时候做了一个相对位置编码
分类：ViT会单独加上一个可学习参数，作为分类的token。
Swin-T则是直接做平均，输出分类，有点类似CNN最后的全局平均池化层

模型处理过程

概括

PatchEmbed将图像换分为多个patches，
之后接入多个BasicLayer进行处理(默认是和上述结构图一致，4个虚线框中的结构)，
再然后将结果做avgpool输出计算结果，
最后再进行分类操作（所以这里与ViT中不一样的是并没有采用一个cls token来进行分类而是对多个tokens取均值参与最终的分类运算）

Patch Embedding

不能直接将一整幅图片作为一个patch，所以需要对图像进行切分然后处理为一个patch，但与ViT不同的是，Swin-T不在以16*16作为一个切割大小，而是以4 * 4作为切分大小，并通过后续的Patch Merging操作不断增大每个Patch的大小，进而实现多尺度变化

BasicLayer

生成Patch之后就进入Swin- Transformer的核心模块部分了，每个basiclayer主要是由若干个Swin-Transformer Block和一个Patch Merging

Patch Merging

作用：是在每个Stage开始前做降采样，用于缩小分辨率，调整通道数 ，类似于CNN中Pooling层。进而形成层次化的设计，同时也能节省一定运算量。
启发：在做Window Attention这个操作时，数据的维度变换是和CNN是有些相似的地方的，当然SwinTransformer的初衷也是想让Transformer能像CNN一样能够分成多个Block，进而在不同层级的Block之间提取到分辨率不同的特征信息，
实现：SwinTransformer引入了Patch Merging操作来实现，类似于CNN的池化的操作
在CNN中，则是在每个Stage开始前用stride=2的卷积/池化层来降低分辨率。
每次降采样是两倍，因此在行方向和列方向上，间隔2选取元素。
然后拼接在一起作为一整个张量，最后展开。此时通道维度会变成原先的4倍（因为H,W各缩小2倍），此时再通过一个全连接层再调整通道维度为原来的两倍

Swin Transform Block

这部分是整个程序的核心，它由窗口多头自注意层（window multi-head self-attention, W-MSA）和移位窗口多头自注意层（shifted-window multi-head self-attention, SW-MSA）组成
包含了论文中的很多知识点，涉及到相对位置编码、mask、window self-attention、shifted window self-attention

整体流程如下：

输入到该stage的特征 z的l-1 先经过LN进行归一化
再经过W-MSA进行特征的学习，
接着的是一个残差操作得到 $z\hat{}^l$ 的估计值（头上带个帽子就是估计值的意思）。
接着是一个LN，一个MLP以及一个残差，得到这一层的输出特征 $z^l$ 。
SW-MSA层的结构和W-MSA层类似，不同的是计算特征部分分别使用了SW-MSA和W-MSA，
可以从上面的源码中看出它们除了shifted的这个bool值不同之外，其它的值是保持完全一致的。这一部分可以表示为式(2)

在这里插入图片描述

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Swin Transformer使用window self-attention降低了计算复杂度，为了保证不重叠窗口之间有联系，采用了shifted window self-attention的方式重新计算一遍窗口偏移之后的自注意力，所以Swin Transformer Block都是成对出现的 (W-MSA + SW-MSA为一对) ，不同大小的Swin Transformer的Block个数也都为偶数，Block的数量不可能为奇数。

Window Attention

传统的Transformer都是基于全局来计算注意力的，因此计算复杂度十分高。
而Swin Transformer则将注意力的计算限制在每个窗口内，进而减少了计算量。
Window Attention与传统的Attention主要区别是在原始计算Attention的公式中的Q,K时加入了相对位置编码

在这里插入图片描述

绝对位置编码是在进行self-attention计算之前为每一个token添加一个可学习的参数，
相对位置编码如上式所示，是在进行self-attention计算时，在计算过程中添加一个可学习的相对位置参数B。

实际上这里在参与Attention计算的B 是relative_position_bias_table这个可学习的参数，而relative_position_index则是作为一个index去取relative_position_bias_table中的值来参与运算
有了相对位置索引(relative_position_index)之后，后续将相对位置bias(relative_position_bias_table)加入 $QK^T$ 中
这里比较难理解的就是relative_position_index的生成代码，如下图所示为整个relative_position_index的生成过程：

假设window_size = 2*2即每个窗口有4个token [M=2] ，如图1所示，在计算self-attention时，每个token都要与所有的token计算QK值，如图2所示，当位置1的token计算self-attention时，要计算位置1与位置(1,2,3,4)的QK值，即以位置1的token为中心点，中心点位置坐标(0,0)，其他位置计算与当前位置坐标的偏移量。

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第一行就是以蓝色为中心的坐标，第二行是以紫色框为中心各颜色框的坐标，以此类推

下图没有明确的计算过程但更加清晰
在这里插入图片描述
然后再最后一维上进行求和，展开成一个一维坐标，并注册为一个不参与网络学习的变量

Shifted Window Attention

前面的Window Attention是在每个窗口下计算注意力的，为了更好的和其他window进行信息交互，Swin Transformer还引入了shifted window操作。

shifted window也就是把左侧的“规则”windows变为右侧“不规则”的windows，因为这样就能实现左侧“规则”windows之间的“信息交流”

在这里插入图片描述

左边是没有重叠的Window Attention，而右边则是将窗口进行移位的Shift Window Attention。可以看到移位后的窗口包含了原本相邻窗口的元素。但这也引入了一个新问题，即window的个数翻倍了，由原本四个窗口变成了9个窗口。

为此论文提出了一种针对于shifted window Attention更加高效的计算方式，如下图所示,为论文提供的高效计算shifted window Attention的示意图

在实际代码里，我们是通过对特征图移位，并给Attention设置mask来间接实现的。能在保持原有的window个数下，最后的计算结果等价。

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将特征数据进行cyclic shift操作，这个操作具体的代码中是使用的torch.roll实现的，如下图，通过将A B C三个区域的数据移动到如图的位置，那么整个窗口的划分就变得大小一致了
2. Attention Mask：通过设置合理的mask，让Shifted Window Attention在与Window Attention相同的窗口个数下，达到等价的计算结果。得到大小一致的窗口之后，再进行带掩码的MSA操作，因为shift之后windows的大小都一致，所以在进行Attention计算时就比较好并行计算，同时通过掩码的作用，原本不属于同一个窗口的数据进行Attention之后也不会得到较高的注意力(比如蓝天和草原之间的Attention值就不会高)。

如下图，window_size=2,shift_size=-1，最左侧方块所示，我们分别对这9个方块编号为0～8，那么经过roll处理以后，每个区域的位置分布就如第二个方块所示；

再以window_size在每个window内做带掩码的MSA，具体而言就是相同编号的区域做MSA时就没有mask，不同区域之间做MSA就需要有掩码，例如

右下侧的那个window内一共有4个区域的数据(8,6,2,0)，那么区域8的Q只和区域8的K^ T相乘时才不带掩码，与其他区域的K^T相乘都需要带掩码，计算结果就如右下侧的红色框中所示：
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3. reverse cyclic shift
把之前cyclic shift的shift参数设置成对应的正数就行

小结

首先我们对Shift Window后的每个窗口都给上index，并且做一个roll操作（window_size=2, shift_size=-1）

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希望在计算Attention的时候，让具有相同index QK进行计算，而忽略不同index QK计算结果。
而要想在原始四个窗口下得到正确的结果，我们就必须给Attention的结果加入一个mask（如下图最右边所示）
最后正确的结果如下图所示

在这里插入图片描述
引入window这一个概念，将CNN的局部性引入，还能控制模型整体计算量。
在Shift Window Attention部分，用一个mask和移位操作，很巧妙的实现计算等价。

模型使用及代码

模型使用

环境配置

环境配置参考Swin Transformer算法环境配置（语义分割）

SwinT

Swin-Transformer最核心的部分制成了一个类似于nn.Conv2D的接口并命名为SwinT。其输入、输出数据形状完全和Conv2D(CNN)一样，这极大的方便了使用Transformer来编写模型代码。

参考SwinT-让Swin-Transformer的使用变得和CNN一样方便快捷

代码

代码讲解参考Swin-Transformer（原理 + 代码）详解

非常详细的原理和代码展示【深度学习】详解 Swin Transformer (SwinT)

Patch Embedding

Patch Partition
作用：将RGB图转为非重叠的patch块。这里的patch尺寸为 4x4，乘上对应的RGB通道可得大小为4 x 4 x3=48。
Linear Embedding
作用：将处理好的patch投影到指定的维度，这里embed_dim=96。
核心代码实现
通过设定固定大小（4*4）的patch进行卷积，实现Patch Partition，再设定输出通道实现 Linear Embedding

self.proj = nn.Conv2d(in_c, embed_dim, kernel_size=patch_size,stride=patch_size)
self.norm = norm_layer(embed_dim) if norm_layer else nn.Identity()

Patch Merging

作用：将传入矩阵划分为2 x 2 大小的窗口，每个窗口的对应位置（例如下图中的同色块[^3]）相merge，再对merge后的四个特征矩阵相concatenate。最后经过layer normalization和linear layer降维。
在这里插入图片描述
Layer normalization和Linear layer的初始化

self.norm = norm_layer(4 * dim)
self.reduction = nn.Linear(4 * dim, 2 * dim, bias=False)

其中由图可知，每一层通道在传递给LayerNorm时都是原通道的4倍。传递给Linear时同理，Linear的输入为原通道的4倍，输出为原通道的2倍。

Merging的实现

  def forward(self, x, H, W):
        """
        x: B, H*W, C
        """
        B, L, C = x.shape
        assert L == H * W, "input feature has wrong size"

        x = x.view(B, H, W, C)

        # padding
        # 如果输入feature map的H，W不是2的整数倍，需要进行padding
        pad_input = (H % 2 == 1) or (W % 2 == 1)
        if pad_input:
            # to pad the last 3 dimensions, starting from the last dimension and moving forward.
            # (C_front, C_back, W_left, W_right, H_top, H_bottom)
            # 注意这里的Tensor通道是[B, H, W, C]，所以会和官方文档有些不同
            x = F.pad(x, (0, 0, 0, W % 2, 0, H % 2))

        x0 = x[:, 0::2, 0::2, :]  # [B, H/2, W/2, C]
        x1 = x[:, 1::2, 0::2, :]  # [B, H/2, W/2, C]
        x2 = x[:, 0::2, 1::2, :]  # [B, H/2, W/2, C]
        x3 = x[:, 1::2, 1::2, :]  # [B, H/2, W/2, C]
        x = torch.cat([x0, x1, x2, x3], -1)  # [B, H/2, W/2, 4*C]
        x = x.view(B, -1, 4 * C)  # [B, H/2*W/2, 4*C]

        x = self.norm(x)
        x = self.reduction(x)  # [B, H/2*W/2, 2*C]

        return x

其中12-17行的作用是对行数或者列数是奇数的层进行扩充；
19-24完成的是Merging操作，即每隔2行2列取一次元素并将这些元素沿最后一个维度（通道维度）concat

Mask

构建Mask是为了以后SW-MSA移动后窗口只对连续部分做self-attention，整个构建过程分为两步。

  def create_mask(self, x, H, W):
        # calculate attention mask for SW-MSA
        # 保证Hp和Wp是window_size的整数倍，起到了padding的作用
        Hp = int(np.ceil(H / self.window_size)) * self.window_size
        Wp = int(np.ceil(W / self.window_size)) * self.window_size
        # 拥有和feature map一样的通道排列顺序，方便后续window_partition
        img_mask = torch.zeros((1, Hp, Wp, 1), device=x.device)  # [1, Hp, Wp, 1]
        h_slices = (slice(0, -self.window_size),
                    slice(-self.window_size, -self.shift_size),
                    slice(-self.shift_size, None))
        w_slices = (slice(0, -self.window_size),
                    slice(-self.window_size, -self.shift_size),
                    slice(-self.shift_size, None))
        cnt = 0
        for h in h_slices:
            for w in w_slices:
                img_mask[:, h, w, :] = cnt
                cnt += 1