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VIT模型简介

news 2025/6/9 12:55:11

文章目录

算法介绍
工作原理
模型性能
vit变体
参考链接

算法介绍

ViT（Vision Transformer）是一种基于Transformer架构的视觉模型，它改变了传统卷积神经网络（CNN）在计算机视觉领域的主导地位。ViT 将图像视为一系列的补丁（patches），并通过自注意力机制（self-attention mechanism）来来捕捉全局信息，从而实现了强大的视觉表征学习能力。

transformer的发展：
在这里插入图片描述
VIT 论文链接：https://arxiv.org/pdf/2010.11929v2 （需科学上网）

网络架构图：
在这里插入图片描述

工作原理

ViT整个架构可以通过以下五个步骤描述：

将输入图像拆分为固定的小块（patches）
把小块拉长成序列，即使用线性投影层获得每个patch的线性嵌入，这些嵌入式向量就是Patch Embeddings。或者使用卷积操作合并第1步， GPU 也已针对执行卷积操作进行了优化，这样无需先将图像拆分为块。
给线性嵌入添加位置编码信息和类别信息（Class Token），形成一个更大的序列
将序列送入transformert通过注意力机制和前馈神经网络来提取特征。重复该过程，例如 12 次，每次都会让模型对这些信息的理解更深入。
通过 MLP Head进行类别预测

模型性能

论文给出的3种类vit模型的结构特征：
在这里插入图片描述
Layers： Transformer 编码器层的个数
Hidden size: 隐藏层尺寸，表述每个补丁经过嵌入处理后，变成向量的维度
MLP size: 前馈神经网络FFN中第一个线性层的输出维度，一般FFN的结构可以表示为：768→3072→768，
Heads: 多头自注意力机制部分，使用了注意力头个数

在这里插入图片描述
在JFT-300M数据集上预训练的Vision Transformer模型Top-1 准确率可以超过 88%，优于resnet网络的数据集。同时需要更少的计算资源来进行预训练。

ViT 需要在大规模数据集上进行预训练才能发挥其最大的性能潜力。当拥有足够多的数据进行预训练的时候，ViT的表现就会超过CNN，突破transformer缺少归纳偏置的限制，可以在下游任务中获得较好的迁移效果。
但是当训练数据集不够大的时候，ViT的表现通常比同等大小的ResNets要差一些.因为Transformer和CNN相比缺少归纳偏置（inductive bias），即一种先验知识，提前做好的假设。CNN具有两种归纳偏置，一种是局部性（locality/two-dimensional neighborhood structure），即图片上相邻的区域具有相似的特征；一种是平移不变形（translation equivariance）

vit变体

DeiT (Data-efficient Image Transformers)
特点如下：

数据效率：DeiT 旨在减少训练所需的大量数据，通过使用蒸馏（Distillation）技术来辅助训练，从而提高数据使用效率。
蒸馏过程：引入一个教师模型（Teacher Model）来指导学生模型（Student Model）的学习，使学生模型能够学习到教师模型的知识。
轻量化：相比标准ViT，DeiT在保持高性能的同时减少了模型参数量和计算复杂度。

应用场景:

对于数据量有限的任务特别有用

Swin Transformer (Shifting Window Transformer)
特点如下：

窗口机制：Swin Transformer 引入了窗口机制（Window Mechanism），通过滑动窗口的方式进行局部自注意力计算，从而降低了计算复杂度。
层次结构：Swin Transformer 采用了类似于卷积神经网络的层次结构，通过逐步增大特征图的尺寸来捕获多层次的信息。
高效性：通过窗口机制，Swin Transformer 在保持高性能的同时大大减少了计算量。

PVT (Pyramid Vision Transformer)
特点如下：

金字塔结构：PVT 采用了类似于金字塔结构的设计，通过逐步减小特征图的尺寸来捕获多层次的信息。
多尺度特征：通过不同尺度的特征图，PVT 能够更好地处理多尺度的视觉信息。
灵活性：PVT 可以很容易地应用于不同的视觉任务中，如图像分类、目标检测和语义分割。

CaiT (Class-Attention in Vision Transformers)
特点如下：

类注意力机制：CaiT 引入了类注意力机制（Class Attention Mechanism），通过专门的注意力层来加强分类标记（Class Token）的信息，从而提高分类性能。
深层结构：CaiT 设计了更深的网络结构，通过更多的自注意力层来捕捉更丰富的特征。
鲁棒性：CaiT 在处理具有挑战性的数据集时表现出更强的鲁棒性。

应用场景：

对于需要更高精度的分类任务特别有用

T2T-ViT (Token-to-Token Vision Transformer)
特点如下：

Token-to-Token：T2T-ViT 采用了一种新颖的方法来处理图像补丁，通过递归地将相邻的补丁合并成更大的补丁，从而逐步构建更高级别的特征表示。
局部到全局：这种方法使得模型能够从局部信息逐步过渡到全局信息，从而更好地捕捉图像中的细节和全局结构。
高效性：T2T-ViT 通过递归合并补丁的方式减少了计算复杂度。

CrossFormer
特点如下：

交叉注意力机制：CrossFormer 通过引入交叉注意力机制（Cross Attention Mechanism），使得模型能够在不同尺度之间共享信息，从而提高了模型的灵活性和鲁棒性。
多尺度融合：CrossFormer 通过多尺度特征融合，增强了模型在处理多尺度信息时的能力。
高效性：CrossFormer 通过优化计算流程，降低了模型的计算复杂度。