上一篇我们介绍了 T5 的偏置型 RPE，仅仅使用一个标量偏置，配合分桶策略，就用极低的复杂度实现了 NLP 的高效位置编码。
而下一个问题就是：
一维序列上的标量偏置，到了二维图像上要怎么做？
这一篇我们来补上之前的 Swin Transformer 中一个当时没有展开的细节：二维 RPE。
1. 为什么需要二维 RPE？
在 T5 中，相对位置是一个标量：\(i-j\)。因为文本是一维序列，两个 token 之间的关系只需要一个数字就能描述。
但图像数据不同。一张图像被划分为 \(M \times M\) 的 patch 网格后，两个 patch 之间的相对位置是二维的。
一个 patch 到另一个 patch 的偏移，不仅有"水平方向的距离"，还有"垂直方向的距离"。
具体来说，对于图像中的位置 \((x_1, y_1)\) 和 \((x_2, y_2)\)，相对位置是分成下面两部分：
\\\Delta x = x_1 - x_2, \\quad \\Delta y = y_1 - y_2 \\
这时如果再用一维标量来描述这个二维偏移，必然丢失方向信息。
好在，Swin 本身的 Window Attention 设计其实已经为 RPE 减了负：注意力只在 \(7 \times 7\) 的窗口内进行。
这种设计让我们可以不再过多考虑 NLP 中的编码外推问题，但相应的，在这个局部范围内，精确的二维相对关系对建模视觉结构至关重要。
因此，Swin 设计了一套二维的相对位置编码方案。
2. 二维 RPE 如何构造？
我们直接来看 Swin 在窗口注意力中使用的公式：
\\\text{Attention}(Q, K, V) = \\text{Softmax}\\left(\\frac{QK\^T}{\\sqrt d} + B\\right)V \\
公式本身在形式上和 T5 是完全相同的，关键在于偏置矩阵 \(B\) 的构造上。
我们分点来展开：
2.1 直接将 RPE 推广到二维
我们先来看看最直接的方法 ：
对于一个 \(M \times M\) 的窗口，直接设计 \(B \in \mathbb{R}^{M^2 \times M^2}\)，其中 \(B_{ij}\) 表示窗口内第 \(i\) 个 patch 和第 \(j\) 个 patch 之间的偏置值。
我们用一个简单的例子来演示为什么是 \(M^2 \times M^2\) ，假设窗口大小：\(M=2\) ，那么窗口就是：
\\\begin{bmatrix}t_1\&t_2\\\\t_3\&t_4\\end{bmatrix} \\
现在，每个 token 都要和另外所有 token 建立关系。那么 \(QK^T\) 计算的注意力得分矩阵形状就是这样的：
\\\begin{bmatrix} t_1\\to t_1 \& t_1\\to t_2 \& t_1\\to t_3 \& t_1\\to t_4 \\\\ t_2\\to t_1 \& t_2\\to t_2 \& t_2\\to t_3 \& t_2\\to t_4 \\\\ t_3\\to t_1 \& t_3\\to t_2 \& t_3\\to t_3 \& t_3\\to t_4 \\\\ t_4\\to t_1 \& t_4\\to t_2 \& t_4\\to t_3 \& t_4\\to t_4 \\end{bmatrix} \\
偏置矩阵必须和注意力矩阵一一对应。所以 \(B\in\mathbb{R}^{M^2\times M^2}\)。
这种方法当然是可以跑通的，但我们要考虑二维带来的参数问题：
如果直接学习一个 \(M^2 \times M^2\) 的参数矩阵，那每个注意力头就得维护 \(M^4\) 个参数。一个 Swin 有多个头和多个层，累计下来参数巨大。
因此， Swin 自然有对应的改进。
2.2 空间关系的平移不变性
在 NLP 中，我们只针对每种相对位置设计偏置，但是在上面方案里，你会发现直接推广会带来很多无意义的参数，核心是因为：
在二维数据中相对逻辑更加凸显，窗口内大量位置对其实拥有相同的相对偏移。
比如，patch (0,0) 和 (1,0) 之间的偏移是 \((\Delta x=1, \Delta y=0)\)，而 patch (2,0) 和 (3,0) 之间的偏移同样是 \((\Delta x=1, \Delta y=0)\)。
它们本质上描述的是同一种空间关系，理应共享同一个偏置值。
于是 Swin 的做法是：推广相对逻辑，不直接学习 \(B\)，而是学习一个小得多的偏置表，再通过二维索引从中查值。
3. 紧凑偏置表与查表逻辑
3.1 二维相对位置的计算
首先，对于一个 \(M \times M\) 的窗口，给每个位置一个坐标 \((x, y)\)，显然：
\x, y \\in \[0, M-1 \]
对于任意两个 patch ，二维相对偏移是：
\\\Delta x = x_i - x_j, \\quad \\Delta y = y_i - y_j \\
那么，\(\Delta x\) 的取值范围就是 \(-(M-1), M-1\)，一共 \(2M-1\) 种可能。
\(\Delta y\) 同理，这部分的计算逻辑和 T5 是完全相同的。
现在，我们知道了：所有可能的 \((\Delta x, \Delta y)\) 组合一共有 \((2M-1)^2\) 种，也就是说：
我们只需要一个 \((2M-1) \times (2M-1)\) 的偏置表，就能覆盖窗口内所有可能的位置关系。
这就是 Swin 的紧凑偏置表 \(\hat{B}\)：
\\\hat{B} \\in \\mathbb{R}\^{(2M-1) \\times (2M-1)} \\
建表本身的逻辑到此结束，但现在还有一个小问题：
\(QK^T\) 和 \(\hat{B}\) 大小不一，对于每组注意力计算，我要如何查表注入相应偏置？
3.2 查表过程
其实这步可以理解为：如何将 \(\hat{B}\) 内的值映射到总公式里的 \(B\) 中？
首先，前面我们已经知道了：\(QK^T \in \mathbb{R}^{M^2 \times M^2}\)
因此，真正参与 Attention 计算的偏置矩阵 \(B\)，也必须是 \(M^2 \times M^2\)。
但我们刚刚学习的紧凑偏置表只有：
\\\hat{B}\\in\\mathbb{R}\^{(2M-1)\\times(2M-1)} \\
不难理解，为了让二者适配，Swin 的设计是这样的：
对于 Attention Matrix 中的每一个元素，都先计算两个 patch 的相对位移，再去 \(\hat{B}\) 中查对应 bias。
展开来说， \(QK^T\) 中的每一个元素本质上都对应"一对 patch 的关系"，而每一对 patch 都有自己的 \((\Delta x,\Delta y)\)，因此，我们可以计算相对位移，实现查表取值：
\B_{ij}=\\hat{B}\[\\Delta x,\\Delta y \]
这就实现了相同相对位移的 patch 对，共享同一个偏置。
不过这在实现中还有一个问题：
数组索引没有负数，负偏移并不能和其索引直接对应。
而 \(\Delta x,\Delta y \in -(M-1),M-1\)，因此 Swin 会先做一次平移去寻找正确索引：
\\\Delta x'=\\Delta x+(M-1) \\
\\\Delta y'=\\Delta y+(M-1) \\
现在：
\\\Delta x',\\Delta y' \\in \[0,2M-2 \]
于是查表过程就变成：
\B_{ij}=\\hat{B}\[\\Delta x',\\Delta y' \]
字母还是有些抽象，我们再举一个实例：设 \(M=3\) ，那么 patch 网格可以就是：
\\\begin{bmatrix} (0,0) \& (0,1) \& (0,2) \\\\ (1,0) \& (1,1) \& (1,2) \\\\ (2,0) \& (2,1) \& (2,2) \\end{bmatrix} \\
此时 \(2M-1=5\) ，因此 \(\hat{B}\in\mathbb R^{5\times5}\)，如果当前 patch 为 \((0,0)\)，它去关注 \((2,2)\) ，那么：
\\\Delta x=0-2=-2 ，\\Delta y=0-2=-2 \\
现在，我们需要查：
\\\hat B\[-2,-2 \]
显然，数组索引不能为负数。 所以进行平移：
\M-1=2 \\
于是：
\\\Delta x'=\\Delta x+2 \\
\\\Delta y'=\\Delta y+2 \\
原本的 \(-2,-2\) ，就被平移成 \(0,0\)：
\\\hat B\[-2,-2 \quad\Rightarrow\quad \hat B0,0 \]
这里可能容易疑惑的一点是：
\(\hat{B}\in\mathbb R^{5\times5}\) 中存储的并不是"偏移坐标本身"，而是"对应相对位移的偏移参数"。
展开来说：数学意义上的 \((Δx,Δy)=(−2,−2)\) 会被映射到数组索引\((0,0)\)，因此，\(\hat B0,0\) 实际存储的就是相对位移为 \((-2,-2)\) 时对应的偏置。
这样，所有原本可能为负数的二维位移都被映射到了合法数组索引,可以稳定完成查表。
最终所有 patch 两两之间都会完成一次查表从而动态构造出完整的偏置矩阵：
\B\\in\\mathbb R\^{M\^2\\times M\^2} \\
随后：
\\\frac{QK\^T}{\\sqrt d}+B \\
即可完成二维相对位置信息的注入。
值得一提的是在具体实现中，二维紧凑表会被展平成一维，以类似"编号"的逻辑取值，根本逻辑没变，明白即可。
3.3 参数对比
来看看两种方式的参数对比：
| 方式 | \(M=7\)（Swin 默认） | \(M=14\) |
|---|---|---|
| 暴力直接法 | \(49 \times 49 = 2401\) | \(196 \times 196 = 38416\) |
| Swin 紧凑法 | \(13 \times 13 = 169\) | \(27 \times 27 = 729\) |
| 压缩比 | 约 14 倍 | 约 53 倍 |
很明显，随着窗口增大，紧凑表的优势会更加明显。
这便是 Swin 的二维 RPE 的完整逻辑，它十分符合 Swin 的整体设计逻辑，配合其实现了 Attention 在 CV 领域的推广，也在后续的很多混合架构中被使用。