近些年，随着基于自注意（Self-Attention）结构的模型的发展，特别是Transformer模型的提出，极大的促进了自然语言处理模型的发展。由于Transformers的计算效率和可扩展性，它已经能够训练具有超过100B参数的空前规模的模型。
ViT则是自然语言处理和计算机视觉两个领域的融合结晶。在不依赖卷积操作的情况下，依然可以在图像分类任务上达到很好的效果。
ViT模型的主体结构是基于Transformer模型的Encoder部分（部分结构顺序有调整，如：normalization的位置与标准Transformer不同），其结构图如下：
ViT模型是应用于图像分类领域。因此，其模型结构相较于传统的Transformer有以下几个特点：
下面将通过代码实例来详细解释基于ViT实现ImageNet分类任务。
本案例基于MindSpore-GPU版本，在单GPU卡上完成模型训练和验证。
首先导入相关模块，配置相关超参数并读取数据集，该部分代码在Vision套件中都有API可直接调用，详情可以参考以下链接：https://gitee.com/mindspore/vision 。
可通过:http://image-net.org/ 进行数据集下载。
加载前先定义数据集路径，请确保你的数据集路径如以下结构。
.ImageNet/
├── ILSVRC2012_devkit_t12.tar.gz
├── train/
└── val/
from mindspore import context
from mindvision.classification.dataset import ImageNet
context.set_context(mode=context.GRAPH_MODE, device_target='GPU')
data_url = './ImageNet/'
resize = 224
batch_size = 16
dataset_train = ImageNet(data_url,
split="train",
shuffle=True,
resize=resize,
batch_size=batch_size,
repeat_num=1,
num_parallel_workers=1).run()
下面将通过代码来细致剖析ViT模型的内部结构。
Transformer模型源于2017年的一篇文章[2]。在这篇文章中提出的基于Attention机制的编码器-解码器型结构在自然语言处理领域获得了巨大的成功。模型结构如下图所示：
其主要结构为多个Encoder和Decoder模块所组成，其中Encoder和Decoder的详细结构如下图所示：
Encoder与Decoder由许多结构组成，如：多头注意力（Multi-Head Attention）层，Feed Forward层，Normaliztion层，甚至残差连接（Residual Connection，图中的“add”）。不过，其中最重要的结构是多头注意力（Multi-Head Attention）结构，该结构基于自注意力（Self-Attention）机制，是多个Self-Attention的并行组成。
所以，理解了Self-Attention就抓住了Transformer的核心。
以下是Self-Attention的解释，其核心内容是为输入向量的每个单词学习一个权重。通过给定一个任务相关的查询向量Query向量，计算Query和各个Key的相似性或者相关性得到注意力分布，即得到每个Key对应Value的权重系数，然后对Value进行加权求和得到最终的Attention数值。
在Self-Attention中:
{ q i = W q ⋅ x i k i = W k ⋅ x i , i = 1 , 2 , 3 … v i = W v ⋅ x i (1) \begin{cases} q_i = W_q \cdot x_i & \\ k_i = W_k \cdot x_i,\hspace{1em} &i = 1,2,3 \ldots \\ v_i = W_v \cdot x_i & \end{cases} \tag{1} ⎩⎪⎨⎪⎧qi=Wq⋅xiki=Wk⋅xi,vi=Wv⋅xii=1,2,3…(1)
{ a 1 , 1 = q 1 ⋅ k 1 / d a 1 , 2 = q 1 ⋅ k 2 / d a 1 , 3 = q 1 ⋅ k 3 / d (2) \begin{cases} a_{1,1} = q_1 \cdot k_1 / \sqrt d \\ a_{1,2} = q_1 \cdot k_2 / \sqrt d \\ a_{1,3} = q_1 \cdot k_3 / \sqrt d \end{cases} \tag{2} ⎩⎪⎨⎪⎧a1,1=q1⋅k1/d a1,2=q1⋅k2/d a1,3=q1⋅k3/d (2)
S o f t m a x : a ^ 1 , i = e x p ( a 1 , i ) / ∑ j e x p ( a 1 , j ) , j = 1 , 2 , 3 … (3) Softmax: \hat a_{1,i} = exp(a_{1,i}) / \sum_j exp(a_{1,j}),\hspace{1em} j = 1,2,3 \ldots \tag{3} Softmax:a^1,i=exp(a1,i)/j∑exp(a1,j),j=1,2,3…(3)
b 1 = ∑ i a ^ 1 , i v i , i = 1 , 2 , 3... (4) b_1 = \sum_i \hat a_{1,i}v_i,\hspace{1em} i = 1,2,3... \tag{4} b1=i∑a^1,ivi,i=1,2,3...(4)
通过下图可以整体把握Self-Attention的全部过程。
多头注意力机制就是将原本self-Attention处理的向量分割为多个Head进行处理，这一点也可以从代码中体现，这也是attention结构可以进行并行加速的一个方面。
总结来说，多头注意力机制在保持参数总量不变的情况下，将同样的query, key和value映射到原来的高维空间（Q,K,V）的不同子空间(Q_0,K_0,V_0)中进行自注意力的计算，最后再合并不同子空间中的注意力信息。
所以，对于同一个输入向量，多个注意力机制可以同时对其进行处理，即利用并行计算加速处理过程，又在处理的时候更充分的分析和利用了向量特征。下图展示了多头注意力机制，其并行能力的主要体现在下图中的 a 1 a_1 a1和 a 2 a_2 a2是同一个向量进行分割获得的。
以下是vision套件中的Multi-Head Attention代码，结合上文的解释，代码清晰的展现了这一过程。
import mindspore.nn as nn
class Attention(nn.Cell):
def __init__(self,
dim: int,
num_heads: int = 8,
keep_prob: float = 1.0,
attention_keep_prob: float = 1.0):
super(Attention, self).__init__()
self.num_heads = num_heads
head_dim = dim // num_heads
self.scale = Tensor(head_dim ** -0.5)
self.qkv = nn.Dense(dim, dim * 3)
self.attn_drop = nn.Dropout(attention_keep_prob)
self.out = nn.Dense(dim, dim)
self.out_drop = nn.Dropout(keep_prob)
self.mul = P.Mul()
self.reshape = P.Reshape()
self.transpose = P.Transpose()
self.unstack = P.Unstack(axis=0)
self.attn_matmul_v = P.BatchMatMul()
self.q_matmul_k = P.BatchMatMul(transpose_b=True)
self.softmax = nn.Softmax(axis=-1)
def construct(self, x):
"""Attention construct."""
b, n, c = x.shape
# 最初的输入向量首先会经过Embedding层映射成Q(Query)，K(Key)，V(Value)三个向量
# 由于是并行操作，所以代码中是映射成为dim*3的向量然后进行分割
qkv = self.qkv(x)
#多头注意力机制就是将原本self-Attention处理的向量分割为多个Head进行处理
qkv = self.reshape(qkv, (b, n, 3, self.num_heads, c // self.num_heads))
qkv = self.transpose(qkv, (2, 0, 3, 1, 4))
q, k, v = self.unstack(qkv)
# 自注意力机制的自注意主要体现在它的Q，K，V都来源于其自身
# 也就是该过程是在提取输入的不同顺序的向量的联系与特征
# 最终通过不同顺序向量之间的联系紧密性（Q与K乘积经过softmax的结果）来表现出来
attn = self.q_matmul_k(q, k)
attn = self.mul(attn, self.scale)
attn = self.softmax(attn)
attn = self.attn_drop(attn)
# 其最终输出则是通过V这个映射后的向量与QK经过Softmax结果进行weight sum获得
# 这个过程可以理解为在全局上进行自注意表示
out = self.attn_matmul_v(attn, v)
out = self.transpose(out, (0, 2, 1, 3))
out = self.reshape(out, (b, n, c))
out = self.out(out)
out = self.out_drop(out)
return out
在了解了Self-Attention结构之后，通过与Feed Forward，Residual Connection等结构的拼接就可以形成Transformer的基础结构，接下来就利用Self-Attention来构建ViT模型中的TransformerEncoder部分，类似于构建了一个Transformer的编码器部分。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-pD4XPmyL-1652419336785)(./image/vit_encoder.png)]
ViT模型中的基础结构与标准Transformer有所不同，主要在于Normalization的位置是放在Self-Attention和Feed Forward之前,其他结构如Residual Connection，Feed Forward，Normalization都如Transformer中所设计。
从transformer结构的图片可以发现，多个子encoder的堆叠就完成了模型编码器的构建，在ViT模型中，依然沿用这个思路，通过配置超参数num_layers，就可以确定堆叠层数。
Residual Connection，Normalization的结构可以保证模型有很强的扩展性（保证信息经过深层处理不会出现退化的现象，这是Residual Connection的作用），Normalization和dropout的应用可以增强模型泛化能力。
从以下源码中就可以清晰看到Transformer的结构。将TransformerEncoder结构和一个多层感知器（MLP）结合，就构成了ViT模型的backbone部分。
class TransformerEncoder(nn.Cell):
def __init__(self,
dim: int,
num_layers: int,
num_heads: int,
mlp_dim: int,
keep_prob: float = 1.,
attention_keep_prob: float = 1.0,
drop_path_keep_prob: float = 1.0,
activation: nn.Cell = nn.GELU,
norm: nn.Cell = nn.LayerNorm):
super(TransformerEncoder, self).__init__()
layers = []
# 从vit_architecture图可以发现，多个子encoder的堆叠就完成了模型编码器的构建
# 在ViT模型中，依然沿用这个思路，通过配置超参数num_layers，就可以确定堆叠层数
for _ in range(num_layers):
normalization1 = norm((dim,))
normalization2 = norm((dim,))
attention = Attention(dim=dim,
num_heads=num_heads,
keep_prob=keep_prob,
attention_keep_prob=attention_keep_prob)
feedforward = FeedForward(in_features=dim,
hidden_features=mlp_dim,
activation=activation,
keep_prob=keep_prob)
# ViT模型中的基础结构与标准Transformer有所不同
# 主要在于Normalization的位置是放在Self-Attention和Feed Forward之前
# 其他结构如Residual Connection，Feed Forward，Normalization都如Transformer中所设计
layers.append(
nn.SequentialCell([
# Residual Connection，Normalization的结构可以保证模型有很强的扩展性
# 保证信息经过深层处理不会出现退化的现象，这是Residual Connection的作用
# Normalization和dropout的应用可以增强模型泛化能力
ResidualCell(nn.SequentialCell([normalization1,
attention])),
ResidualCell(nn.SequentialCell([normalization2,
feedforward]))
])
)
self.layers = nn.SequentialCell(layers)
def construct(self, x):
"""Transformer construct."""
return self.layers(x)
传统的Transformer结构主要用于处理自然语言领域的词向量（Word Embedding or Word Vector），词向量与传统图像数据的主要区别在于，词向量通常是1维向量进行堆叠，而图片则是二维矩阵的堆叠，多头注意力机制在处理1维词向量的堆叠时会提取词向量之间的联系也就是上下文语义，这使得Transformer在自然语言处理领域非常好用，而2维图片矩阵如何与1维词向量进行转化就成为了Transformer进军图像处理领域的一个小门槛。
在ViT模型中：
通过将输入图像在每个channel上划分为16*16个patch，这一步是通过卷积操作来完成的，当然也可以人工进行划分，但卷积操作也可以达到目的同时还可以进行一次而外的数据处理；例如一幅输入224 x 224的图像，首先经过卷积处理得到16 x 16个patch，那么每一个patch的大小就是14 x 14。
再将每一个patch的矩阵拉伸成为一个1维向量，从而获得了近似词向量堆叠的效果。上一步得道的14 x 14的patch就转换为长度为196的向量。
这是图像输入网络经过的第一步处理。具体Patch Embedding的代码如下所示：
class PatchEmbedding(nn.Cell):
MIN_NUM_PATCHES = 4
def __init__(self,
image_size: int = 224,
patch_size: int = 16,
embed_dim: int = 768,
input_channels: int = 3):
super(PatchEmbedding, self).__init__()
self.image_size = image_size
self.patch_size = patch_size
self.num_patches = (image_size // patch_size) ** 2
# 通过将输入图像在每个channel上划分为16*16个patch
self.conv = nn.Conv2d(input_channels, embed_dim, kernel_size=patch_size, stride=patch_size, has_bias=True)
self.reshape = P.Reshape()
self.transpose = P.Transpose()
def construct(self, x):
"""Path Embedding construct."""
x = self.conv(x)
b, c, h, w = x.shape
# 再将每一个patch的矩阵拉伸成为一个1维向量，从而获得了近似词向量堆叠的效果；
x = self.reshape(x, (b, c, h * w))
x = self.transpose(x, (0, 2, 1))
return x
由论文中的模型结构可以得知，输入图像在划分为patch之后，会经过pos_embedding 和 class_embedding两个过程。
class_embedding主要借鉴了BERT模型的用于文本分类时的思想，在每一个word vector之前增加一个类别值，通常是加在向量的第一位,上一步得到的196维的向量加上class_embedding后变为197维。
增加的class_embedding是一个可以学习的参数，经过网络的不断训练，最终以输出向量的第一个维度的输出来决定最后的输出类别；由于输入是16 x 16个patch，所以输出进行分类时是取 16 x 16个class_embedding进行分类。
pos_embedding也是一组可以学习的参数，会被加入到经过处理的patch矩阵中。
由于pos_embedding也是可以学习的参数，所以它的加入类似于全链接网络和卷积的bias。这一步就是创造一个长度维197的可训练向量加入到经过class_embedding的向量中。
从论文中可以得到，pos_embedding总共有4中方案。但是经过作者的论证，只有加上pos_embedding和不加pos_embedding有明显影响，至于pos_embedding是1维还是2维对分类结果影响不大，所以，在我们的代码中，也是采用了1维的pos_embedding，由于class_embedding是加在pos_embedding之前，所以pos_embedding的维度会比patch拉伸后的维度加1。
总的而言，ViT模型还是利用了Transformer模型在处理上下文语义时的优势，将图像转换为一种“变种词向量”然后进行处理，而这样转换的意义在于，多个patch之间本身具有空间联系，这类似于一种“空间语义”，从而获得了比较好的处理效果。
以下代码构建了一个完整的ViT模型。
from typing import Optional
class ViT(nn.Cell):
def __init__(self,
image_size: int = 224,
input_channels: int = 3,
patch_size: int = 16,
embed_dim: int = 768,
num_layers: int = 12,
num_heads: int = 12,
mlp_dim: int = 3072,
keep_prob: float = 1.0,
attention_keep_prob: float = 1.0,
drop_path_keep_prob: float = 1.0,
activation: nn.Cell = nn.GELU,
norm: Optional[nn.Cell] = nn.LayerNorm,
pool: str = 'cls') -> None:
super(ViT, self).__init__()
self.patch_embedding = PatchEmbedding(image_size=image_size,
patch_size=patch_size,
embed_dim=embed_dim,
input_channels=input_channels)
num_patches = self.patch_embedding.num_patches
# 此处增加class_embedding和pos_embedding，如果不是进行分类任务
# 可以只增加pos_embedding，通过pool参数进行控制
self.cls_token = init(init_type=Normal(sigma=1.0),
shape=(1, 1, embed_dim),
dtype=ms.float32,
name='cls',
requires_grad=True)
# pos_embedding也是一组可以学习的参数，会被加入到经过处理的patch矩阵中
self.pos_embedding = init(init_type=Normal(sigma=1.0),
shape=(1, num_patches + 1, embed_dim),
dtype=ms.float32,
name='pos_embedding',
requires_grad=True)
# axis=1定义了会在向量的开头加入class_embedding
self.concat = P.Concat(axis=1)
self.pool = pool
self.pos_dropout = nn.Dropout(keep_prob)
self.norm = norm((embed_dim,))
self.tile = P.Tile()
self.transformer = TransformerEncoder(dim=embed_dim,
num_layers=num_layers,
num_heads=num_heads,
mlp_dim=mlp_dim,
keep_prob=keep_prob,
attention_keep_prob=attention_keep_prob,
drop_path_keep_prob=drop_path_keep_prob,
activation=activation,
norm=norm)
def construct(self, x):
"""ViT construct."""
x = self.patch_embedding(x)
# class_embedding主要借鉴了BERT模型的用于文本分类时的思想
# 在每一个word vector之前增加一个类别值，通常是加在向量的第一位
cls_tokens = self.tile(self.cls_token, (x.shape[0], 1, 1))
x = self.concat((cls_tokens, x))
x += self.pos_embedding
x = self.pos_dropout(x)
x = self.transformer(x)
x = self.norm(x)
# 增加的class_embedding是一个可以学习的参数，经过网络的不断训练
# 最终以输出向量的第一个维度的输出来决定最后的输出类别；
x = x[:, 0]
return x
整体流程图如下所示：
模型开始训练前，需要设定损失函数，优化器，回调函数等，直接调用mindvision提供的接口可以方便完成实例化。
import mindspore.nn as nn
from mindspore.train import Model
from mindspore.train.callback import ModelCheckpoint, CheckpointConfig
from mindvision.classification.models import vit_b_16
from mindvision.engine.callback import LossMonitor
from mindvision.engine.loss import CrossEntropySmooth
# 定义超参数
epoch_size = 10
momentum = 0.9
step_size = dataset_train.get_dataset_size()
num_classes = 1000
# 构建模型
network = vit_b_16(num_classes=num_classes, image_size=resize, pretrained=True)
# 定义递减的学习率
lr = nn.cosine_decay_lr(min_lr=float(0),
max_lr=0.003,
total_step=epoch_size * step_size,
step_per_epoch=step_size,
decay_epoch=90)
# 定义优化器
network_opt = nn.Adam(network.trainable_params(), lr, momentum)
# 定义损失函数
network_loss = CrossEntropySmooth(sparse=True,
reduction="mean",
smooth_factor=0.1,
classes_num=num_classes)
# 设定checkpoint
ckpt_config = CheckpointConfig(save_checkpoint_steps=step_size, keep_checkpoint_max=100)
ckpt_callback = ModelCheckpoint(prefix='vit_b_16', directory='./ViT', config=ckpt_config)
# 初始化模型
model = Model(network, loss_fn=network_loss, optimizer=network_opt, metrics={"acc"})
# 训练
model.train(epoch_size,
dataset_train,
callbacks=[ckpt_callback, LossMonitor(lr)],
dataset_sink_mode=False)
Epoch:[ 0/ 10], step:[ 1/80072], loss:[1.963/1.963], time:8171.241 ms, lr:0.00300
Epoch:[ 0/ 10], step:[ 2/80072], loss:[7.809/4.886], time:769.321 ms, lr:0.00300
Epoch:[ 0/ 10], step:[ 3/80072], loss:[8.851/6.208], time:779.355 ms, lr:0.00300
....
Epoch:[ 9/ 10], step:[80070/80072], loss:[1.112/6.657], time:780.714 ms, lr:0.00240
Epoch:[ 9/ 10], step:[80071/80072], loss:[1.111/6.708], time:781.860 ms, lr:0.00240
Epoch:[ 9/ 10], step:[80072/80072], loss:[1.102/6.777], time:782.859 ms, lr:0.00240
模型验证过程主要应用了nn，Model，context，ImageNet，CrossEntropySmooth和vit_b_16等接口。
通过改变ImageNet接口的split参数即可调用验证集。
与训练过程相似，首先调用vit_b_16接口定义网络结构，加载预训练模型参数。随后设置损失函数，评价指标等，编译模型后进行验证。
dataset_analyse = ImageNet(data_url,
split="val",
num_parallel_workers=1,
resize=resize,
batch_size=batch_size)
dataset_eval = dataset_analyse.run()
network = vit_b_16(num_classes=num_classes, image_size=resize, pretrained=True)
network_loss = CrossEntropySmooth(sparse=True,
reduction="mean",
smooth_factor=0.1,
classes_num=num_classes)
# 定义评价指标
eval_metrics = {'Top_1_Accuracy': nn.Top1CategoricalAccuracy(),
'Top_5_Accuracy': nn.Top5CategoricalAccuracy()}
model = Model(network, network_loss, metrics=eval_metrics)
# 评估模型
result = model.eval(dataset_eval)
print(result)
{'Top_1_Accuracy': 0.73524, 'Top_5_Accuracy': 0.91756}
在进行模型推理之前，首先要定义一个对推理图片进行数据预处理的方法。该方法可以对我们的推理图片进行resize和normalize处理，这样才能与我们训练时的输入数据匹配。
import mindspore.dataset.vision.c_transforms as transforms
# 数据预处理操作
def infer_transform(dataset, columns_list, resize):
mean = [0.485 * 255, 0.456 * 255, 0.406 * 255]
std = [0.229 * 255, 0.224 * 255, 0.225 * 255]
trans = [transforms.Decode(),
transforms.Resize([resize, resize]),
transforms.Normalize(mean=mean, std=std),
transforms.HWC2CHW()]
dataset = dataset.map(operations=trans,
input_columns=columns_list[0],
num_parallel_workers=1)
dataset = dataset.batch(1)
return dataset
接下来，我们将调用模型的predict方法进行模型推理，需要注意的是，推理图片需要自备，同时给予准确的路径利用read_dataset接口读推理图片路径，利用GeneratorDataset来生成测试集。
在推理过程中，ImageNet接口主要负责对原数据集标签和模型输出进行配对。通过index2label就可以获取对应标签，再通过show_result接口将结果写在对应图片上。
import numpy as np
import mindspore.dataset as ds
from mindspore import Tensor
from mindvision.dataset.generator import DatasetGenerator
from mindvision.dataset.download import read_dataset
from mindvision.classification.utils.image import show_result
# 读取推理图片
image_list, image_label = read_dataset('./infer')
columns_list = ('image', 'label')
dataset_infer = ds.GeneratorDataset(DatasetGenerator(image_list, image_label),
column_names=list(columns_list),
num_parallel_workers=1)
dataset_infer = infer_transform(dataset_infer, columns_list, resize)
# 读取数据进行推理
for i, image in enumerate(dataset_infer.create_dict_iterator(output_numpy=True)):
image = image["image"]
image = Tensor(image)
prob = model.predict(image)
label = np.argmax(prob.asnumpy(), axis=1)
predict = dataset_analyse.index2label[int(label)]
output = {int(label): predict}
print(output)
show_result(img=image_list[i], result=output, out_file=image_list[i])
{236: 'Doberman'}
推理过程完成后，在推理文件夹下可以找到图片的推理结果，如下图所示：
本案例完成了一个ViT模型在ImageNet数据上进行训练，验证和推理的过程，其中，对关键的ViT模型结构和原理作了讲解。通过学习本案例，理解源码可以帮助学员掌握Multi-Head Attention，TransformerEncoder，pos_embedding等关键概念，如果要详细理解ViT的模型原理，建议基于源码更深层次的详细阅读，可以参考vision套件：
https://gitee.com/mindspore/vision/tree/master/examples/classification/vit 。
[1] Dosovitskiy, Alexey, et al. “An image is worth 16x16 words: Transformers for image recognition at scale.” arXiv preprint arXiv:2010.11929 (2020).
[2] Vaswani, Ashish, et al. "Attention is all you need."Advances in Neural Information Processing Systems. (2017).