把大核卷积拆成三步，清华胡事民团队新视觉Backbone刷榜了，集CNN与ViT优点于一身

来自 | 量子位  作者 | 梦晨

在视觉任务上，CNN、ViT各有各的优势和劣势。

于是，以经典Backbone为基础、细节上相互借鉴，成了最近一个热门研究方向。

前有微软SwinTransformer引入CNN的滑动窗口等特性，刷榜下游任务并获马尔奖。

后有Meta AI的ConvNeXT用ViT上的大量技巧魔改ResNet后实现性能反超。

现在一种全新Backbone——VAN（Visiual Attention Network, 视觉注意力网络）再次引起学界关注。

因为新模型再一次刷榜三大视觉任务，把上面那两位又都给比下去了。

VAN号称同时吸收了CNN和ViT的优势且简单高效，精度更高的同时参数量和计算量还更小。

VAN来自清华计图胡事民团队，他们提出一个标准大核卷积可以拆解成三部分：

深度卷积(DW-Conv)、深度扩张卷积(DW-D-Conv)和1 × 1卷积(1 × 1 Conv)。

更关键的是，再加上一步element-wise相乘可以获得类似注意力的效果，团队把新的卷积模块命名为大核注意力LKA（Large Kernel Attention）

论文最后还提到，现在的VAN只是一个直觉的原始版本、没有仔细打磨，也就是说后续还有很大提升潜力。

（代码已开源，地址在文末）

   拆解大卷积核能算注意力

注意力机制，可以理解为一种自适应选择过程，能根据输入辨别出关键特征并自动忽略噪声。

关键步骤是学习输入数据的长距离依赖，生成注意力图。

有两种常用方法来生成注意图。

第一种是从NLP来的自注意力机制，但用在视觉上还有一些不足，比如把图像转换为一维序列会忽略其二维结构。

第二种是视觉上的大核卷积方法，但计算开销又太大。

为克服上面的问题，团队提出的LKA方法把大核卷积拆解成三部分。

设扩张间隔为d，一个K x K的卷积可以拆解成K/d x K/d的深度扩张卷积，一个(2d − 1) × (2d − 1)的深度卷积核一个1 x 1的point-wise卷积。

△ c为通道(channel)

这样做，在捕捉到长距离依赖的同时节省了计算开销，进一步可以生成注意力图。

LKA方法不仅综合了卷积和自注意力的优势，还额外获得了通道适应性。

在CNN里，LKA方法与MobileNet的两部分拆解法类似，增加的深度扩张卷积可以捕获长距离依赖。

与ViT相比，解决了自注意力的二次复杂度对高分辨率图像计算代价太大的问题，

MLP架构中的gMLP也引入了注意力机制，但只能处理固定分辨率的图像，且只关注了全局特征，忽略了图像的局部结构。

从理论上来说，LKA方法综合了各方优势，同时克服了上述缺点。

那么，实际效果如何？

   新Backbone刷榜三大任务

根据LKA方法设计的新Backbone网络VAN，延续了经典的四阶段设计，具体配置如下。

每个阶段的结构如图所示，其中下采样率由步长控制，CFF代表卷积前馈网络（ convolutional feed-forward network）

假输入和输出拥有相等的宽高和通道数，可以算出计算复杂性。

其中当卷积核大小(K)为21时，扩张间隔(d)取3可以让参数量最小，便以此为默认配置。

团队认为按此配置对于全局特征和局部特征的提取效果都比较理想。

最终，在ImageNet上不同规模的VAN精度都超过了各类CNN、ViT和MLP。

在COCO 2017目标检测任务上，以VAN为Backbone应用多种检测方法也都领先。

ADE20K语意分割任务上同样如此。

而且正如前文所述，VAN未经仔细打磨就已刷榜三大任务，后续还有提升空间。

对于今后的改进方向，团队表示可能会尝试更大的卷积核，引入来自Res2Net的多尺度结构，或者Inception中的多分支结构。

另外用VAN做图像自监督学习和迁移学习，甚至能否做NLP都有待后续探索。

   作者介绍

这篇论文来自清华大学计算机系胡事民团队。

胡事民教授是清华计图框架团队的负责人，计图框架则是首个由中国高校开源的深度学习框架。

一作博士生国孟昊，现就读于清华大学计算机系，也是计图团队的成员。

这次论文的代码已经开源，并且提供了Pytorch版和计图框架两种版本。

该团队之前有一篇视觉注意力的综述，还成了arXiv上的爆款

配套的GitHub仓库视觉注意力论文大合集Awesome-Vision-Attentions也有1.2k星。

最后八卦一下，莫非是团队研究遍了各种视觉注意力机制后，碰撞出这个新的思路？

也是666了。

论文地址：
https://arxiv.org/abs/2202.09741

GitHub地址：
https://github.com/Visual-Attention-Network

Awesome-Vision-Attentions
https://github.com/MenghaoGuo/Awesome-Vision-Attentions

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—完—

为您推荐Transformer模型有多少种变体？看看这篇全面综述各种注意力机制的PyTorch实现