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最强辅助Visualizer:简化你的Vision Transformer可视化!

洛英 PaperWeekly 2022-07-04



©作者 | 洛英


Visualizer 是一个辅助深度学习模型中 Attention 模块可视化的小工具,主要功能是帮助取出嵌套在模型深处的 Attention Map。





Vision Transformer 如今已经成为了一个热门的方向,Self-Attention 机制为视觉信息的表示和融合都带来了新的思路。那么问题来了,作为 Attention 机制的一种,Self-Attention 会呈现出怎样的一种 Q K V 交互模式呢?为了搞清这个问题,我们只要将 Vit 中间的 Attention Map 拿出来看看不就行了嘛,然而把 Attention Map 拿出来可不是那么简单的事情。

为了可视化 Attention Map,你是否有以下苦恼:

1. Return 大法好:通过 return 将嵌套在模型深处的 Attention Map 一层层地返回回来,然后训练模型的时候又不得不还原;

2. 全局大法好:使用全局变量在 Attention 函数中直接记录 Attention Map,结果训练的时候忘改回来导致 OOM。

不管你有没有,反正我有,由于可视化分析不是一锤子买卖,实际过程中你往往需要在训练-可视化-训练-可视化两种状态下反复横跳,所以不适合采用以上两种方式进行可视化分析。




PyTorch hook 的局限性

咨询了专业人士的意见后,发现 pytorch 有个 hook 可以取出中间结果,大概查了一下,发现确实可以取出中间变量,但需要进行如下类似的 hook 注册。
handle = net.conv2.register_forward_hook(hook)

这样我们就可以拿出来 net.conv2 这层的输出啦。

然而!进行这样操作的前提是我们知道要取出来的模块名,但是 Transformer 类模型一般是这样定义的(以 Vit 为例)。

class VisionTransformer(nn.Module):
    def __init__(self, *args, **kwargs):
        ...
        self.blocks = nn.Sequential(*[Block(...) for i in range(depth)])
        ...

然后每个 Block 中都有一个 Attention 

class Block(nn.Module):
    def __init__(self, *args, **kwargs):
        ...
        self.attn = Attention(...)
        ...

然后我们想要的 attention map 又在 Attention 里面。

class Attention(nn.Module):
    def __init__(self, dim, num_heads=8, qkv_bias=False, attn_drop=0., proj_drop=0.):
        super().__init__()
        ...

    def forward(self, x):
        B, N, C = x.shape
        qkv = self.qkv(x).reshape(B, N, 3, self.num_heads, C // self.num_heads).permute(20314)
        q, k, v = qkv[0], qkv[1], qkv[2]  # make torchscript happy (cannot use tensor as tuple)

        attn = (q @ k.transpose(-2-1)) * self.scale
        attn = attn.softmax(dim=-1)
        attn = self.attn_drop(attn) # <-在这

        x = (attn @ v).transpose(12).reshape(B, N, C)
        x = self.proj(x)
        x = self.proj_drop(x)
        return x
如果想要用 hook 来取出 Vit 中的 Attention Map,存在的问题就是:

1. 嵌套太深,模块名不清晰,我们根本不知道我们要取的 attention map 怎么以 model.bla.bla.bla 这样一直点出来! 

2. 一般来说,Transformer 中 attention map 每层都有一个,一个个注册实在太麻烦了。

那怎么办呢....

Visualizer! 

所以我就思考并查找能否通过更简洁的方法来得到 Attention Map(尤其是 Transformer 的),而 visualizer 就是其中的一种,它具有以下特点:

  • 精准直接,你可以取出任何变量名的模型中间结果;

  • 快捷方便,一个操作,就可以同时取出 Transformer 类模型中的所有 attention map;

  • 非侵入式,你无须修改函数内的任何一行代码;

  • 训练-测试一致,可视化完成后,训练时无须再将代码改回来。



用法
项目主页:
https://github.com/luo3300612/Visualizer

首先,git clone 并安装它:
python setup.py install
使用方法非常简单!只需要用 get_local 装饰一下 Attention 的函数,forward 之后就可以拿到函数内与装饰器参数同名的局部变量。

使用方法一

比如说,我想要函数里的 attention_map 变量。在模型文件里,我们这么写:
from visualizer import get_local

@get_local('attention_map') # 我要拿attention_map这个变量,所以把他传参给get_local
def your_attention_function(*args, **kwargs):
    ...
    attention_map = ... 
    ...
    return ...

在可视化代码里,我们这么写:

from visualizer import get_local
get_local.activate() # 激活装饰器
from ... import model # 被装饰的模型一定要在装饰器激活之后导入!!

# load model and data
...
out = model(data)

cache = get_local.cache # ->  {'your_attention_function': [attention_map]}
最终就会以字典形式存在 get_local.cache 里,其中 key 是你的函数名,value 就是一个存储 attention_map 的列表。
使用方法二

使用 Pytorch 时我们往往会将模块定义成一个类,此时也是一样只要装饰类内计算出 attention_map 的函数即可:

from visualizer import get_local

class Attention(nn.Module):
    def __init__(self):
        ...

    @get_local('attn_map')
    def forward(self, x):
        ...
        attn_map = ...
        ...
        return ...

其他细节请参考:

https://nbviewer.jupyter.org/github/luo3300612/Visualizer/blob/main/demo.ipynb



可视化结果

这里是部分可视化 vit_small 的结果,全部内容在 demo.ipynb 文件里。

因为普通 Vit 所有 Attention map 都是在 Attention.forward 中计算出来的,所以只要简单地装饰一下这个函数,我们就可以同时取出 vit 中 12 层 Transformer 的所有 Attention Map! 

一个 Head 的结果:



一层所有 Heads 的结果:



红色 grid 作为 query 的 Attention Map:



有趣的结果

在可视化这张图片的过程中,我也发现了一些有趣的现象。 

首先,靠前层的 Attention 大多只关注自身,进行真·self attention 来理解自身的信息,比如这是第一层所有 Head 的 Attention Map,其特点就是呈现出明显的对角线模式。


随后,模型开始逐渐增大感受野,融合周围的信息,呈现出多条对角线的模式,如下分别是第 4、6 层的 Attention Map。




最后,重要信息聚合到某些特定的 token 上,Attention 出现与 query 无关的情况,在 Attention Map 上呈现出竖线的模式,如下第 11 层的 Attention Map:


当然,这些只是一张图片可视化的结果,说不定多看几张图片还有更多或者不同的结论呢。

注意

在使用 visualizer 的过程中,有以下几点需要注意:

1. 想要可视化的变量在函数内部不能被后续的同名变量覆盖了,因为 get_local 取的是对应名称变量在函数中的最终值

2. 进行可视化时,get_local.activate() 一定要在导入模型前完成,因为 python 装饰器是在导入时执行的;

3. 训练时你不需要删除装饰的代码,因为在 get_local.activate() 没有执行的情况下,attention 函数不会被装饰,故没有任何性能损失(同上一点,因为 python 装饰器是在导入时执行的)。

其他

当然,其实 get_local 本质就是获取一个函数中某个局部变量的最终值,所以它应该还有其他更有趣的用途。



小结

Visualizer 是一个辅助深度学习模型中 Attention 模块可视化的小工具,主要功能是帮助取出嵌套在模型深处的 Attention Map,欢迎大家多多 star!


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