图像注意力机制研究现状论文

本文大部分的内容来自于 深度学习中的注意力机制 意力机制借鉴了人类注意力的说法，比如我们在阅读过程中，会把注意集中在重要的信息上。在训练过程中，输入的权重也都是不同的，注意力机制就是学习到这些权重。最开始attention机制在CV领域被提出来，但后面广泛应用在NLP领域。 需要注意的是，注意力机制是一种通用的思想和技术，不依赖于任何模型，换句话说，注意力机制可以用于任何模型。只是我们介绍注意力机制的时候更多会用encoder-decoder框架做介绍。 Encoder-Decoder 框架可以看作是一种深度学习领域的研究模式，应用场景异常广泛。下图是文本处理领域里Encoder-Decoder 框架最抽象的一种表示。 在NLP领域，可以把Encoder-Decoder框架看作是：将一个句子（篇章）转换成另一个句子（篇章）。最直观的例子就是机器翻译，将一种语言的表达翻译成另一种语言。对于句子对，将给定输入句子 source，通过Encoder-Decoder框架生成目标句子target。其中，source和target都是一组单词序列：Encoder是对source进行编码，转换成中间语义 ： 对于解码器Decoder，其任务是根据中间语义C和当前已经生成的历史信息来生成下一时刻要生成的单词：我们从最常见的Soft Attention模型开始介绍attention的基本思路。 在上一节介绍的Encoder-Decoder框架是没有体现出“注意力模型”的，为什么这么说呢？我们可以看下target的生成过程： 其中， 是Decoder的非线性变换函数。从上面式子中可以看出，在生成目标句子的单词时，不论生成哪个单词，它们使用的输入句子source的语义编码 都是一样的，没有任何区别。而语义编码 又是通过对source经过Encoder编码产生的，因此对于target中的任何一个单词，source中任意单词对某个目标单词 来说影响力都是相同的，这就是为什么说图1中的模型没有体现注意力的原因。 下面从一个例子入手，具体说明下注意力机制是怎么做的。 比如机器翻译任务，输入source是英文句子：Tom chase Jerry；输出target想得到中文：汤姆 追逐 杰瑞。在翻译“Jerry”这个单词的时候，在普通Encoder-Decoder模型中，source里的每个单词对“杰瑞”的贡献是相同的，很明显这样不太合理，因为“Jerry”对于翻译成“杰瑞”更重要。如果引入Attention模型，在生成“杰瑞”的时候，应该体现出英文单词对于翻译当前中文单词不同的影响程度，比如给出类似下面一个概率分布值：每个英文单词的概率代表了翻译当前单词“杰瑞”时注意力分配模型分配给不同英文单词的注意力大小。同理，对于target中任意一个单词都应该有对应的source中的单词的注意力分配概率，可以把所有的注意力概率看作 ，其中 表示source长度， 表示target长度。而且，由于注意力模型的加入，原来在生成target单词时候的中间语义 就不再是固定的，而是会根据注意力概率变化的 ，加入了注意力模型的Encoder-Decoder框架就变成了如图2所示。根据图2，生成target的过程就变成了下面形式： 因为每个 可能对应着不同的注意力分配概率分布，比如对于上面的英汉翻译来说，其对应的信息可能如下： 其中， 表示Encoder对输入英文单词的某种变换函数，比如如果Encoder是用RNN模型的话，这个 函数的结果往往是某个时刻输入 后隐层节点的状态值；g代表Encoder根据单词的中间表示合成整个句子中间语义表示的变换函数，一般的做法中，g函数就是对构成元素加权求和，即： 其中， 代表输入句子Source的长度， 代表在Target输出第 个单词时Source输入句子第 个单词的注意力分配系数，而 则是Source输入句子中第 个单词的语义编码。假设下标 就是上面例子所说的“汤姆”生成如下图：那另一个问题来了：注意力概率分布是怎么得到的呢？为了便于说明，我们假设图1的Encoder-Decoder框架中，Encoder和Decoder都采用RNN模型，那么图1变成下图4: 那么注意力分配概率分布值的通用计算过程如图5:上面就是经典的soft Attention模型的基本思想，区别只是函数 会有所不同。 从我的角度看，其实Attention机制可以看作，Target中每个单词是对Source每个单词的加权求和，而权重是Source中每个单词对Target中每个单词的重要程度。因此，Attention的本质思想会表示成下图6： 将Source中的构成元素看作是一系列的数据对，给定Target中的某个元素Query，通过计算Query和各个Key的相似性或者相关性，即权重系数；然后对Value进行加权求和，并得到最终的Attention数值。将本质思想表示成公式如下： 其中， 表示Source的长度。 深度学习中的注意力机制 中提到： 因此，Attention机制的具体计算过程实际上分成了3个阶段，如图7: 第一阶段可以引入不同的函数和计算机制，根据Query和某个 ，计算两者的相似性或者相关性，最常见的方法包括：求两者的向量点积、求两者的向量cosine相似性或者引入额外的神经网络来求值，如下：第二阶段引入类似SoftMax的计算方式，对第一阶段的得分进行数值转换，一方面可以进行归一化，将原始计算分值整理成所有元素权重之和为1的概率分布；另一方面也可以通过SoftMax的内在机制更加突出重要元素的权重。即一般采用的公式如下： 第三阶段的计算结果 即为 对应的权重系数，然后进行加权求和即可得到Attention数值： 通过如上三个阶段的计算，就可以求出针对Query的Attention数值。 上面介绍的是soft Attention，hard Attention的区别在于soft Attention中 是概率分布，而hard Attention取值为0/1。Hard Attention在图像上有使用，具体可见 引入attention机制 。 这里的global attention其实就是soft Attention，global attention需要考虑encoder中所有的 ；而local Attention直观上理解是只考虑局部的 。 Self-attention是Google在transformer模型中提出的，上面介绍的都是一般情况下Attention发生在Target元素Query和Source中所有元素之间。而Self Attention，指的是Source内部元素之间或者Target内部元素之间发生的Attention机制，也可以理解为Target=Source这种特殊情况下的注意力机制。当然，具体的计算过程仍然是一样的，只是计算对象发生了变化而已。 上面内容也有说到，一般情况下Attention本质上是Target和Source之间的一种单词对齐机制。那么如果是Self Attention机制，到底学的是哪些规律或者抽取了哪些特征呢？或者说引入Self Attention有什么增益或者好处呢？仍然以机器翻译为例来说明，如图8和图9: 具体做法是点乘 和 ，然后除以 ，并经过Softmax，以此得到 的权重。也就是说Attention计算过程如下式，其中 是scaled factor：注意力的计算一般有两种：加性注意力（additive attention）、乘法（点积）注意力（multiplicative attention）。（这里可以和第3部分计算相似度对应） 加性注意力是最经典的注意力机制，它使用了有一个隐藏层的前馈网络（全连接）来计算注意力; 乘法注意力就是Transformer用的方式。这两种注意力在复杂度上是相似的，但是乘法注意力在实践中要更快速、具有高效的存储，因为它可以使用矩阵操作更高效地实现。 Transformer原文： Multi-Head Attention是用不同的 得到不同的Attention，最后将这些Attention拼接起来作为输出。公式如下： 其中， ；在Transformer模型中， 。 Scaled Dot-Product Attention和Multi-Attention如下图所示：

Attention机制在近几年来在图像，自然语言处理等领域中都取得了重要的突破，被证明有益于提高模型的性能。Attention机制本身也是符合人脑和人眼的感知机制，这里我们主要以计算机视觉领域为例，讲述Attention机制的原理，应用以及模型的发展。

所谓Attention机制，便是聚焦于局部信息的机制，比如图像中的某一个图像区域。随着任务的变化，注意力区域往往会发生变化。

面对上面这样的一张图，如果你只是从整体来看，只看到了很多人头，但是你拉近一个一个仔细看就了不得了，都是天才科学家。

图中除了人脸之外的信息其实都是无用的，也做不了什么任务， Attention机制便是要找到这些最有用的信息 ，可以想见最简单的场景就是从照片中检测人脸了。

和注意力机制相伴而生的一个任务便是显著目标检测，即salient object detection。它的输入是一张图，输出是一张概率图，概率越大的地方，代表是图像中重要目标的概率越大，即人眼关注的重点，一个典型的显著图如下：

右图就是左图的显著图，在头部位置概率最大，另外腿部，尾巴也有较大概率，这就是图中真正有用的信息。

显著目标检测需要一个数据集，而这样的数据集的收集便是通过追踪多个实验者的眼球在一定时间内的注意力方向进行平均得到，典型的步骤如下：

于是就能得到下面这样的图，第二行是眼球追踪结果，第三行就是显著目标概率图。

上面讲述的都是空间上的注意力机制，即关注的是不同空间位置，而在CNN结构中，还有不同的特征通道，因此不同特征通道也有类似的原理，下面一起讲述。

注意力机制的本质就是定位到感兴趣的信息，抑制无用信息，结果通常都是以概率图或者概率特征向量的形式展示，从原理上来说，主要分为 空间注意力模型，通道注意力模型，空间和通道混合注意力模型 三种， 这里不区分soft和hard attention 。

不是图像中所有的区域对任务的贡献都是同样重要的，只有任务相关的区域才是需要关心的，比如分类任务的主体，空间注意力模型就是寻找网络中最重要的部位进行处理。

我们在这里给大家介绍两个具有代表性的模型，第一个就是Google DeepMind提出的STN网络(Spatial Transformer Network[1])。它通过学习输入的形变，从而完成适合任务的预处理操作，是一种基于空间的Attention模型，网络结构如下：

这里的Localization Net用于生成仿射变换系数，输入是C×H×W维的图像，输出是一个空间变换系数，它的大小根据要学习的变换类型而定，如果是仿射变换，则是一个6维向量。

这样的一个网络要完成的效果如下图：

即定位到目标的位置，然后进行旋转等操作，使得输入样本更加容易学习。这是一种一步调整的解决方案，当然还有很多迭代调整的方案，感兴趣可以去有三知识星球星球中阅读。

相比于Spatial Transformer Networks 一步完成目标的定位和仿射变换调整，Dynamic Capacity Networks[2]则采用了两个子网络，分别是低性能的子网络(coarse model)和高性能的子网络(fine model)。低性能的子网络(coarse model)用于对全图进行处理，定位感兴趣区域，如下图中的操作fc。高性能的子网络(fine model)则对感兴趣区域进行精细化处理，如下图的操作ff。两者共同使用，可以获得更低的计算代价和更高的精度。

由于在大部分情况下我们感兴趣的区域只是图像中的一小部分，因此空间注意力的本质就是定位目标并进行一些变换或者获取权重。

对于输入2维图像的CNN来说，一个维度是图像的尺度空间，即长宽，另一个维度就是通道，因此基于通道的Attention也是很常用的机制。

SENet(Sequeeze and Excitation Net)是2017届ImageNet分类比赛的冠军网络，本质上是一个基于通道的Attention模型，它通过建模各个特征通道的重要程度，然后针对不同的任务增强或者抑制不同的通道，原理图如下。

在正常的卷积操作后分出了一个旁路分支，首先进行Squeeze操作(即图中Fsq(·))，它将空间维度进行特征压缩，即每个二维的特征图变成一个实数，相当于具有全局感受野的池化操作，特征通道数不变。

然后是Excitation操作(即图中的Fex(·))，它通过参数w为每个特征通道生成权重，w被学习用来显式地建模特征通道间的相关性。在文章中，使用了一个2层bottleneck结构(先降维再升维)的全连接层+Sigmoid函数来实现。

得到了每一个特征通道的权重之后，就将该权重应用于原来的每个特征通道，基于特定的任务，就可以学习到不同通道的重要性。

将其机制应用于若干基准模型，在增加少量计算量的情况下，获得了更明显的性能提升。作为一种通用的设计思想，它可以被用于任何现有网络，具有较强的实践意义。而后SKNet等方法将这样的通道加权的思想和Inception中的多分支网络结构进行结合，也实现了性能的提升。

通道注意力机制的本质，在于建模了各个特征之间的重要性，对于不同的任务可以根据输入进行特征分配，简单而有效。

前述的Dynamic Capacity Network是从空间维度进行Attention，SENet是从通道维度进行Attention，自然也可以同时使用空间Attention和通道Attention机制。

CBAM(Convolutional Block Attention Module)是其中的代表性网络，结构如下：

通道方向的Attention建模的是特征的重要性，结构如下：

空间方向的Attention建模的是空间位置的重要性，结构如下：

首先将通道本身进行降维，分别获取最大池化和均值池化结果，然后拼接成一个特征图，再使用一个卷积层进行学习。

这两种机制，分别学习了通道的重要性和空间的重要性，还可以很容易地嵌入到任何已知的框架中。

除此之外，还有很多的注意力机制相关的研究，比如 残差注意力机制，多尺度注意力机制，递归注意力机制 等。

从原理上来说，注意力机制在所有的计算机视觉任务中都能提升模型性能，但是有两类场景尤其受益。

我们知道细粒度分类任务中真正的难题在于如何定位到真正对任务有用的局部区域，如上示意图中的鸟的头部。Attention机制恰巧原理上非常合适，使用了注意力机制，对模型的提升效果很明显。

我们又回到了开头，没错，Attention的本质就是重要/显著区域定位，所以在目标检测领域是非常有用的。

上图展示了几个显著目标检测的结果，可以看出对于有显著目标的图，概率图非常聚焦于目标主体，在网络中添加注意力机制模块，可以进一步提升这一类任务的模型。