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Transformer 的跨界之旅，從 2020 延續(xù)到了 2021。 2020 年 5 月，F(xiàn)acebook AI 推出了 Detection Transformer，用于目標(biāo)檢測和全景分割。這是第一個將 Transformer 成功整合為檢測 pipeline 中心構(gòu)建塊的目標(biāo)檢測框架， 在大型目標(biāo)上的檢測性能要優(yōu)于 Faster R-CNN。 2020 年 10 月，谷歌提出了 Vision Transformer（ViT），能直接利用 Transformer 對圖像進(jìn)行分類，而不需要卷積網(wǎng)絡(luò)。該模型可以獲得與當(dāng)前最優(yōu)卷積網(wǎng)絡(luò)相媲美的結(jié)果，但其訓(xùn)練所需的計(jì)算資源大大減少。谷歌在論文中寫道：「這項(xiàng)研究表明，對 CNN 的依賴不是必需的。當(dāng)直接應(yīng)用于圖像塊序列時，transformer 也能很好地執(zhí)行圖像分類任務(wù)?！?/strong> 2020 年 12 月，復(fù)旦大學(xué)、牛津大學(xué)、騰訊等機(jī)構(gòu)的研究者提出了 SEgmentation TRansformer（SETR），將語義分割視為序列到序列的預(yù)測任務(wù)，該模型在 ADE20K 上排名第一，性能優(yōu)于 OCNet、GCNet 等網(wǎng)絡(luò)。 元旦剛過，OpenAI 又連放大招 ，用 DALL·E 和 CLIP 打破了自然語言與視覺的次元壁。兩個模型都利用 Transformer 達(dá)到了很好的效果，前者可以基于本文直接生成圖像，后者則能完成圖像與文本類別的匹配。 這些研究覆蓋了圖像分類、目標(biāo)檢測、語義分割等 CV 主流方向。因此有人提問：「未來，Transformer 有可能替代 CNN 嗎？」 這一問題在知乎、Reddit 等平臺上都有人討論。從討論的結(jié)果來看，大部分人認(rèn)為 Transformer 和 CNN 各有優(yōu)劣，二者可能并非取代和被取代的關(guān)系，而是互相融合，取長補(bǔ)短。從研究現(xiàn)狀來看，Transformer 在 CV 領(lǐng)域的應(yīng)用還需要解決計(jì)算效率低等問題。 Transformer 取代 CNN？下結(jié)論還為時過早在知乎討論區(qū)，用戶 @小小將指出，「目前我們看到很大一部分工作還是把 transformer 和現(xiàn)有的 CNN 工作結(jié)合在一起」。以 DETR 為例，該模型使用 CNN 從圖像中提取局部信息，同時利用 Transformer 編碼器 - 解碼器架構(gòu)對圖像進(jìn)行整體推理并生成預(yù)測。 聲稱「對 CNN 的依賴并非必需」的 ViT 模型可能也不例外。@小小將表示，「ViT 其實(shí)也是有 Hybrid Architecture（將 ResNet 提出的特征圖送入 ViT）」。@mileistone 也認(rèn)為，「（ViT）文章里提出的方法中會將圖片分成多個無 overlap 的 patch，每個 patch 通過 linear projection 映射為 patch embedding，這個過程其實(shí)就是卷積，跟文章里聲稱的不依賴 CNN 自相矛盾?！?/p> 由于 CNN 和 Transformer 各有優(yōu)勢和不足，這種融合的做法出現(xiàn)在很多 Transformer 的跨界論文中。 在解釋 CNN 和 Transformer 各自的優(yōu)缺點(diǎn)時，用戶 @齊國君提到，「CNN 網(wǎng)絡(luò)在提取底層特征和視覺結(jié)構(gòu)方面有比較大的優(yōu)勢。這些底層特征構(gòu)成了在 patch level 上的關(guān)鍵點(diǎn)、線和一些基本的圖像結(jié)構(gòu)。這些底層特征具有明顯的幾何特性，往往關(guān)注諸如平移、旋轉(zhuǎn)等變換下的一致性或者說是共變性。CNN 網(wǎng)絡(luò)在處理這類共變性時是很自然的選擇。但當(dāng)我們檢測得到這些基本視覺要素后，高層的視覺語義信息往往更關(guān)注這些要素之間如何關(guān)聯(lián)在一起進(jìn)而構(gòu)成一個物體，以及物體與物體之間的空間位置關(guān)系如何構(gòu)成一個場景，這些是我們更加關(guān)心的。目前來看，transformer 在處理這些要素之間的關(guān)系上更自然也更有效。」 從現(xiàn)有的研究來看，二者的結(jié)合也確實(shí)實(shí)現(xiàn)了更好的結(jié)果，比如近期的《Rethinking Transformer-based Set Prediction for Object Detection》「還是把現(xiàn)有的 CNN 檢測模型和 transformer 思想結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)了比 DETR 更好的效果（訓(xùn)練收斂速度也更快）」（引自 @小小將）。反過來說，如果全部將 CV 任務(wù)中的 CNN 換成 Transformer，我們會遇到很多問題，比如計(jì)算量、內(nèi)存占用量大到無法接受。 未來研究思路Transformer 的跨界之旅還在繼續(xù)，那么未來有哪些可能的研究思路呢？ 去年 12 月，來自華為諾亞方舟實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)、悉尼大學(xué)的研究者整理了一份綜述，詳細(xì)歸納了多個視覺方向的 Transformer 模型。 論文鏈接：https:///pdf/2012.12556.pdf 此外，他們還在論文中初步思考并給出了三個未來的研究方向：
類似的綜述研究還有來自穆罕默德 · 本 · 扎耶德人工智能大學(xué)等機(jī)構(gòu)的《Transformers in Vision: A Survey》。 論文鏈接：https:///pdf/2101.01169.pdf 有志于 Transformer 跨界研究的同學(xué)可以在讀完綜述后尋找自己感興趣的研究方向。 一起交流 |
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