【Block总结】CoT，上下文Transformer注意力|即插即用

一. 论文信息

• 标题: Contextual Transformer Networks for Visual Recognition
• 论文链接: arXiv
• GitHub链接: https://github.com/JDAI-CV/CoTNet
  

二. 创新点

• 上下文Transformer模块（CoT）: 提出了CoT模块，能够有效利用输入键之间的上下文信息，指导动态注意力矩阵的学习，从而增强视觉表示能力。

• 静态与动态上下文结合: CoT模块通过3×3卷积生成静态上下文表示，并结合动态注意力机制，提升了模型的特征提取能力。

三. 方法

CoT模块的设计流程如下：

1. 上下文编码: 使用3×3卷积对输入的键进行上下文编码，生成静态上下文表示。

2. 动态注意力矩阵学习: 将静态上下文与输入查询拼接，通过两个1×1卷积学习动态多头注意力矩阵。

3. 动态上下文表示生成: 将学习到的注意力矩阵与输入值相乘，生成动态上下文表示。

4. 输出融合: 最后，将静态和动态上下文表示融合，作为CoT模块的输出。

这种设计使得CoT模块可以替代ResNet架构中的每个3×3卷积，形成一种新的Transformer样式主干网络，称为上下文Transformer网络（CoTNet）。

CoT模块

CoT（Contextual Transformer）模块是一种新颖的Transformer风格模块，旨在增强视觉识别能力。它通过充分利用输入键之间的上下文信息，指导动态注意力矩阵的学习，从而提升模型的特征表示能力。CoT模块可以直接替换传统卷积网络中的3×3卷积，形成一种新的上下文Transformer网络（CoTNet）。

1. 工作原理

CoT模块的工作流程如下：

1. 静态上下文表示生成:

   • 输入特征通过3×3卷积进行处理，生成静态上下文表示。

2. 动态注意力矩阵生成:

   • 将静态上下文与输入查询拼接，经过两个1×1卷积生成动态注意力矩阵。

3. 动态上下文表示生成:

   • 使用学习到的注意力矩阵对输入值进行加权，生成动态上下文表示。

4. 输出融合:

   • 将静态上下文表示和动态上下文表示相加，形成最终输出。

2. 创新点

• 上下文编码: CoT模块首先通过3×3卷积对输入的键进行上下文编码，生成静态上下文表示。这一过程确保了模型能够捕捉到局部邻域内的特征信息。

• 动态注意力学习: 将静态上下文与输入查询拼接后，通过两个1×1卷积学习动态多头注意力矩阵。这个动态矩阵能够根据输入的变化调整注意力分配，从而更好地捕捉特征之间的关系。

• 融合静态与动态上下文: 最终，CoT模块将静态和动态上下文表示融合，作为输出。这种设计使得模型能够同时利用静态信息和动态信息，增强了特征提取的能力。

CoT模块通过创新的上下文编码和动态注意力学习机制，显著提升了视觉识别模型的性能。其设计不仅增强了模型的特征提取能力，还为未来的计算机视觉研究提供了新的思路和方法。CoT模块的灵活性使其能够轻松集成到现有的卷积神经网络架构中，推动了视觉识别技术的发展。

四. 效果

CoTNet在多个计算机视觉任务中表现出色，尤其是在图像识别、目标检测和实例分割等任务中，展现了其作为主干网络的强大能力。

五. 实验结果

• 在ImageNet数据集上的表现: CoTNet模型在Top-1准确率和Top-5准确率上均超过了传统的卷积神经网络（CNN）架构，展示了更好的推理时间与准确率的平衡。

• 在开放世界图像分类挑战中的表现: CoTNet在CVPR 2021的开放世界图像分类挑战中获得了第一名，证明了其在实际应用中的有效性。

六. 总结

上下文Transformer网络（CoTNet）通过创新的CoT模块，成功地将上下文信息的动态聚合与静态聚合结合，显著提升了视觉识别任务的性能。实验结果表明，CoTNet在多个基准数据集上均表现优异，为计算机视觉领域提供了一种新的有效方法。该模块的设计不仅提升了模型的准确性，还为未来的研究提供了新的思路。

代码

import torch
import torch.nn.functional
import torch.nn.functional as F
from torch import nn
import mathclass CoTAttention(nn.Module):def __init__(self, dim=512, kernel_size=3):super().__init__()self.dim = dimself.kernel_size = kernel_sizeself.key_embed = nn.Sequential(nn.Conv2d(dim, dim, kernel_size=kernel_size, padding=kernel_size // 2, groups=4, bias=False),nn.BatchNorm2d(dim),nn.ReLU())self.value_embed = nn.Sequential(nn.Conv2d(dim, dim, 1, bias=False),nn.BatchNorm2d(dim))factor = 4self.attention_embed = nn.Sequential(nn.Conv2d(2 * dim, 2 * dim // factor, 1, bias=False),nn.BatchNorm2d(2 * dim // factor),nn.ReLU(),nn.Conv2d(2 * dim // factor, kernel_size * kernel_size * dim, 1))def forward(self, x):bs, c, h, w = x.shapek1 = self.key_embed(x)  # bs,c,h,wv = self.value_embed(x).view(bs, c, -1)  # bs,c,h,wy = torch.cat([k1, x], dim=1)  # bs,2c,h,watt = self.attention_embed(y)  # bs,c*k*k,h,watt = att.reshape(bs, c, self.kernel_size * self.kernel_size, h, w)att = att.mean(2, keepdim=False).view(bs, c, -1)  # bs,c,h*wk2 = F.softmax(att, dim=-1) * vk2 = k2.view(bs, c, h, w)return k1 + k2if __name__ == "__main__":dim=64# 如果GPU可用，将模块移动到 GPUdevice = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")# 输入张量 (batch_size, channels,height, width)x = torch.randn(2,dim,40,40).to(device)# 初始化 CoTAttention模块block = CoTAttention(dim,3) # kernel_size为height或者widthprint(block)block = block.to(device)# 前向传播output = block(x)print("输入:", x.shape)print("输出:", output.shape)

输出结果：