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基于有效感受野理解视觉Transformer中的高斯注意力偏置

Bum Jun Kim Hyeyeon Choi Hyeonah Jang Sang Woo Kim

摘要

将图像视为由分割块组成的序列,视觉Transformer(Vision Transformers, ViTs)在多种视觉任务中表现出显著性能。由于图像块的分割会破坏原始图像的结构信息,为体现块之间的顺序关系,ViTs引入了一种显式的组件——位置嵌入(positional embedding)。然而,我们提出,位置嵌入的使用并不能简单地保证ViT具备对块顺序的感知能力。为支持这一观点,我们通过有效感受野(effective receptive field)分析了ViT的实际行为。研究发现,在训练过程中,ViT通过对位置嵌入的学习,逐渐理解了块的顺序信息,而该位置嵌入被训练为某种特定模式。基于这一观察,我们提出在注意力机制中显式引入高斯注意力偏置(Gaussian attention bias),以从训练初期就引导位置嵌入形成与该模式相对应的结构。我们在多个图像分类、目标检测和语义分割任务中评估了高斯注意力偏置对ViT性能的影响。实验结果表明,所提出的方法不仅有助于ViT更好地理解图像结构,还显著提升了其在多个基准数据集(包括ImageNet、COCO 2017和ADE20K)上的性能表现。


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