昇思25天学习打卡营第16天|应用实践之Vision Transformer图像分类

基本介绍

今天同样是图像分类任务，也更换了模型，使用的时候计算机视觉版的Transformer，即Vision Transformer，简称ViT。Transformer本是应用于自然语言处理领域的模型，用于处理语言序列，而要将其应用于图像，关键在于如何把图像转化为序列数据。ViT对图像进行分割，分割成一个一个的patch，然后再加上空间编码，由此便把图像转化为序列数据，使得Transformer也可以应用于计算机视觉领域。下面会对ViT进行简单介绍，然后使用ImageNet数据集进行训练，简单训练10轮，并进行推理，以进一步了解ViT。

Vision Transformer简介

ViT模型的主体结构是基于Transformer模型的Encoder部分，结构如下图所示

ViT由Transformer变换而成，而Transformer的核心是Self-Attention，要学习ViT就得搞懂Self-Attention。Self-Attention的核心内容是为输入向量的每个单词学习一个权重。通过给定一个任务相关的查询向量Query向量，计算Query和各个Key的相似性或者相关性得到注意力分布，即得到每个Key对应Value的权重系数，然后对Value进行加权求和得到最终的Attention数值。具体如下（以下的Self-Attention计算过程来自MindSpore官方教程，并非本人原创）：

1. 最初的输入向量首先会经过Embedding层映射成Q（Query），K（Key），V（Value）三个向量，由于是并行操作，所以代码中是映射成为dim x 3的向量然后进行分割，换言之，如果你的输入向量为一个向量序列（𝑥1，𝑥2，𝑥3），其中的𝑥1，𝑥2，𝑥3都是一维向量，那么每一个一维向量都会经过Embedding层映射出Q，K，V三个向量，只是Embedding矩阵不同，矩阵参数也是通过学习得到的。这里大家可以认为，Q，K，V三个矩阵是发现向量之间关联信息的一种手段，需要经过学习得到，至于为什么是Q，K，V三个，主要是因为需要两个向量点乘以获得权重，又需要另一个向量来承载权重向加的结果，所以，最少需要3个矩阵。

2. 自注意力机制的自注意主要体现在它的Q，K，V都来源于其自身，也就是该过程是在提取输入的不同顺序的向量的联系与特征，最终通过不同顺序向量之间的联系紧密性（Q与K乘积经过Softmax的结果）来表现出来。Q，K，V得到后就需要获取向量间权重，需要对Q和K进行点乘并除以维度的平方根，对所有向量的结果进行Softmax处理，通过公式(2)的操作，我们获得了向量之间的关系权重

3. 其最终输出则是通过V这个映射后的向量与Q，K经过Softmax结果进行weight sum获得，这个过程可以理解为在全局上进行自注意表示。每一组Q，K，V最后都有一个V输出，这是Self-Attention得到的最终结果，是当前向量在结合了它与其他向量关联权重后得到的结果。

有了Self-Attention结构之后，通过与Feed Forward，Residual Connection等结构的拼接就可以形成Transformer的基础结构，如下图所示

ViT就是由上述的结构搭建而成。ViT的完整使用流程如下：

对ViT有了基本了解后，我们上手代码，加深理解。ViT（MindSpore版）的代码如下：

class ViT(nn.Cell):
    def __init__(self,
                 image_size: int = 224,
                 input_channels: int = 3,
                 patch_size: int = 16,
                 embed_dim: int = 768,
                 num_layers: int = 12,
                 num_heads: int = 12,
                 mlp_dim: int = 3072,
                 keep_prob: float = 1.0,
                 attention_keep_prob: float = 1.0,
                 drop_path_keep_prob: float = 1.0,
                 activation: nn.Cell = nn.GELU,
                 norm: Optional[nn.Cell] = nn.LayerNorm,
                 pool: str = 'cls') -> None:
        super(ViT, self).__init__()

        self.patch_embedding = PatchEmbedding(image_size=image_size,
                                              patch_size=patch_size,
                                              embed_dim=embed_dim,
                                              input_channels=input_channels)
        num_patches = self.patch_embedding.num_patches

        self.cls_token = init(init_type=Normal(sigma=1.0),
                              shape=(1, 1, embed_dim),
                              dtype=ms.float32,
                              name='cls',
                              requires_grad=True)

        self.pos_embedding = init(init_type=Normal(sigma=1.0),
                                  shape=(1, num_patches + 1, embed_dim),
                                  dtype=ms.float32,
                                  name='pos_embedding',
                                  requires_grad=True)

        self.pool = pool
        self.pos_dropout = nn.Dropout(p=1.0-keep_prob)
        self.norm = norm((embed_dim,))
        self.transformer = TransformerEncoder(dim=embed_dim,
                                              num_layers=num_layers,
                                              num_heads=num_heads,
                                              mlp_dim=mlp_dim,
                                              keep_prob=keep_prob,
                                              attention_keep_prob=attention_keep_prob,
                                              drop_path_keep_prob=drop_path_keep_prob,
                                              activation=activation,
                                              norm=norm)
        self.dropout = nn.Dropout(p=1.0-keep_prob)
        self.dense = nn.Dense(embed_dim, num_classes)

    def construct(self, x):
        """ViT construct."""
        x = self.patch_embedding(x)
        cls_tokens = ops.tile(self.cls_token.astype(x.dtype), (x.shape[0], 1, 1))
        x = ops.concat((cls_tokens, x), axis=1)
        x += self.pos_embedding

        x = self.pos_dropout(x)
        x = self.transformer(x)
        x = self.norm(x)
        x = x[:, 0]
        if self.training:
            x = self.dropout(x)
        x = self.dense(x)

        return x

模型训练

由于数据集准备并不难，所以不做展示，直接使用模型进行训练，训练代码如下：

# define super parameter
epoch_size = 10
momentum = 0.9
num_classes = 1000
resize = 224
step_size = dataset_train.get_dataset_size()

# construct model
network = ViT()

# load ckpt
vit_url = "https://download.mindspore.cn/vision/classification/vit_b_16_224.ckpt"
path = "./ckpt/vit_b_16_224.ckpt"

vit_path = download(vit_url, path, replace=True)
param_dict = ms.load_checkpoint(vit_path)
ms.load_param_into_net(network, param_dict)

# define learning rate
lr = nn.cosine_decay_lr(min_lr=float(0),
                        max_lr=0.00005,
                        total_step=epoch_size * step_size,
                        step_per_epoch=step_size,
                        decay_epoch=10)

# define optimizer
network_opt = nn.Adam(network.trainable_params(), lr, momentum)


# define loss function
class CrossEntropySmooth(LossBase):
    """CrossEntropy."""

    def __init__(self, sparse=True, reduction='mean', smooth_factor=0., num_classes=1000):
        super(CrossEntropySmooth, self).__init__()
        self.onehot = ops.OneHot()
        self.sparse = sparse
        self.on_value = ms.Tensor(1.0 - smooth_factor, ms.float32)
        self.off_value = ms.Tensor(1.0 * smooth_factor / (num_classes - 1), ms.float32)
        self.ce = nn.SoftmaxCrossEntropyWithLogits(reduction=reduction)

    def construct(self, logit, label):
        if self.sparse:
            label = self.onehot(label, ops.shape(logit)[1], self.on_value, self.off_value)
        loss = self.ce(logit, label)
        return loss


network_loss = CrossEntropySmooth(sparse=True,
                                  reduction="mean",
                                  smooth_factor=0.1,
                                  num_classes=num_classes)

# set checkpoint
ckpt_config = CheckpointConfig(save_checkpoint_steps=step_size, keep_checkpoint_max=100)
ckpt_callback = ModelCheckpoint(prefix='vit_b_16', directory='./ViT', config=ckpt_config)

# initialize model
# "Ascend + mixed precision" can improve performance
ascend_target = (ms.get_context("device_target") == "Ascend")
if ascend_target:
    model = train.Model(network, loss_fn=network_loss, optimizer=network_opt, metrics={"acc"}, amp_level="O2")
else:
    model = train.Model(network, loss_fn=network_loss, optimizer=network_opt, metrics={"acc"}, amp_level="O0")

# train model
model.train(epoch_size,
            dataset_train,
            callbacks=[ckpt_callback, LossMonitor(125), TimeMonitor(125)],
            dataset_sink_mode=False,)

完整训练的话起码有80个轮次，时间太长，再加上我们使用了预训练参数，所以我们只训练10轮

模型验证

与训练过程相似，首先进行数据增强，然后定义ViT网络结构，加载预训练模型参数。随后设置损失函数，评价指标等，编译模型后进行验证。本案例采用了业界通用的评价标准Top_1_Accuracy和Top_5_Accuracy评价指标来评价模型表现。模型表现如下：

因为预训练参数的原因，效果还是不错的

模型推理

使用一张杜宾犬的图片进行预测，结果如下，是准确的。

总结

今日学习使用ViT，若之前对Attention完全没有了解，直接上手难度很大的，不过官方文档写的很好，加上本人有些Transformer的基础，所以认真花费一些时间，结合代码，对ViT的结构和流程有了一个基本了解。ViT可以应用的任务很多，希望下次可以尝试将其应用到目标检测。

Jupyter在线运行情况