『论文笔记』Swin Transformer

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目前transform的两个非常严峻的问题

1. 受限于图像的矩阵性质，一个能表达信息的图片往往至少需要几百个像素点，而建模这种几百个长序列的数据恰恰是Transformer的天生缺陷；
   
2. 目前的基于Transformer框架更多的是用来进行图像分类，对实例分割这种密集预测的场景Transformer并不擅长解决。

在Swin Transformer之前的ViT和iGPT，它们都使用了小尺寸的图像作为输入，这种直接resize的策略无疑会损失很多信息。与它们不同的是，Swin Transformer的输入是图像的原始尺寸另外Swin Transformer使用的是CNN中最常用的层次的网络结构，在CNN中一个特别重要的一点是随着网络层次的加深，节点的感受野也在不断扩大，这个特征在Swin Transformer中也是满足的。Swin Transformer的这种层次结构，也赋予了它可以像FPN，U-Net等结构实现可以进行分割或者检测的任务。

图1：Swin Transformer和ViT的对比

图2：Swin-T的网络结构 

 在图2中，输入图像之后是一个Patch Partition，再之后是一个Linear Embedding层，这两个加在一起其实就是一个Patch Merging层（至少上面的源码中是这么实现的）。这一部分的源码如下：

class PatchMerging(nn.Module):
    def __init__(self, in_channels, out_channels, downscaling_factor):
        super().__init__()
        self.downscaling_factor = downscaling_factor
        self.patch_merge = nn.Unfold(kernel_size=downscaling_factor, stride=downscaling_factor, padding=0)
        self.linear = nn.Linear(in_channels * downscaling_factor ** 2, out_channels)

    def forward(self, x):
        b, c, h, w = x.shape
        new_h, new_w = h // self.downscaling_factor, w // self.downscaling_factor
        x = self.patch_merge(x) # (1, 48, 3136)
        x = x.view(b, -1, new_h, new_w).permute(0, 2, 3, 1) # (1, 56, 56, 48)
        x = self.linear(x) # (1, 56, 56, 96)
        return x

Patch Merging的作用是对图像进行降采样，类似于CNN中Pooling层。Patch Merging是主要是通过nn.Unfold函数实现降采样的，nn.Unfold的功能是对图像进行滑窗，相当于卷积操作的第一步，因此它的参数包括窗口的大小和滑窗的步长。根据源码中给出的超参我们知道这一步降采样的比例是 

 ，因此经过nn.Unfold之后会得到 

 个长度为 

 的特征向量，其中  是输入到这个stage的Feature Map的通道数，第一个stage的输入是RGB图像，因此通道数为3，表示为式(1)。

接着的view和permute是将得到的向量序列还原到  的二维矩阵，linear是将长度是  的特征向量映射到out_channels的长度，因此stage-1的Patch Merging的输出向量维度是  ，对比源码的注释，这里省略了第一个batch为  的维度。

可以看出Patch Partition/Patch Merging起到的作用像是CNN中通过带有步长的滑窗来降低分辨率，再通过  卷积来调整通道数。不同的是在CNN中最常使用的降采样的最大池化或者平均池化往往会丢弃一些信息，例如最大池化会丢弃一个窗口内的地响应值，而Patch Merging的策略并不会丢弃其它响应，但它的缺点是带来运算量的增加。在一些需要提升模型容量的场景中，我们其实可以考虑使用Patch Merging来替代CNN中的池化。