Axial-DeepLab

1. Conclusion, Abstract

  • position-sensitive + axial attention, without cost이 Classification과 Segmentation에서 얼마나 효율적인지를 보여주었다.
  • Convolution은 global long range context를 놓치는 대신에 locality attention을 효율적으로 처리해왔다. 그래서 최근 work들은, local attention을 제한하고, fully attention, global relativity 을 추가하는 self-attention layer 사용해왔다.
  • 우리는 fully, stand-alone + axial attention은 2D self-attention을 1D self-attention x 2개로 분해하여 만들어 진 self-attention 모듈이다. 이로써 large & global receptive field를 획득하고, complexity를 낮추고, 높은 성능을 획득할 수 있었다.
  • introduction, Related Work는 일단 패스

3. Method

  • Key Order :
    1. stand-alone Axial-ResNet
    2. position-sensitive self-attention
    3. axial-attention
    4. Axial-DeepLab

3.1 Self-attention mechanism

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  1. 여기서 N은 모든 이미지 픽셀(HxW)
  2. 장점 : non-local context 를 보는것이 아니라, related context in the whole feature map 을 바라본다. conv가 local relations만을 capture하는 것과는 반대이다.
  3. 단점
    • (단점 1) extremely expensive to compute O(h2*w2 = hw(query) x hw(key))
    • (단점 2) (position embeding이 충분하지 않다) positional information를 사용하지 못한다. vision task에서 spatial structure(이게 이미지의 어느 위치 인지)를 capture하고 positional imformation 을 사용하는 것이 매우 중요하다.

3.2 stand-alone(독립형) self attention

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  1. 위의 문제점을 해결하기 위해, 개발되었다. 모든 Feature map pixel을 key로 가져가지말고, query 주변의 MxM개만을 key로 사용한다. 이로써. computation 복잡도를 O(hw(query갯수) x m^2(key갯수) ) 까지 줄일 수 있다.
  2. 추가적으로, relative positional encoding을 주었다. 즉 query에 positional 정보를 주는 term을 추가한 것이다. 각 pixel(query)들은 주변 MxM공간을 receptive field로써 확장된 정보를 가지게 되고, 이 덕분에 softmax이후에 dynamic prior를 생산해낼 수 있다.
  3. qr 항이 추가되어, key§ location에서 query(o) location까지의 양립성(compatibility)에 대한 정보가 추가되었다. 특히 r인 positional encodings는 heads끼리 각 r에 해당하는 parameter를 공유해서 사용하기 때문에, cost 증가가 그렇게 크지는 않다고 한다.
  4. 위의 계산 식은 one-head-attention이다. multi-head attention 를 사용해서 혼합된 affinities (query에 대한 key들과의 애매하고 복잡한 관계로, 인해 발생하는, 다양한 선호도)를 capture할 수 있다.
  5. 지금까지 transformer 모델들은 one-head에서 나온 결과를 y_o1이라고 하고, y_o 1~y_o 8 까지 8개의 head로 인해 나오는 결과를 sum했는데, 여기서는 concat을 한다. 따라서 이런 식이 완성된다. z_o = concatn(y_o n).

3.3 Position-Sensitivity self attention

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  1. (파랑 A) 위에서 query에게만 positional embeding을 해주었다. 여기서 저자는 ‘그렇다면 key에게도 해줘야하는거 아닌가?’ 라는 생각을 했다고 한다. 따라서 key에게도 previous positional bias를 주기 위해 key-dependent positional bias term을 추가해줬다.
  2. (파랑 B) y_o 또한 precise location정보를 가지면 좋겠다. 특히나 stand-alone을 사용하면 MxM (HW보다는 상대적으로) 작은 receptive fields를 사용하게 된다. 그렇기에 더더욱 value또한 (내생각. 이 MxM이 전체 이미지에서 어디인지를 알려줄 수 있는) precise spatial structures를 제공해줘야한다. 이것이 retrieve relative positions = r 이라고 할 수 있다.
  3. 위의 A와 B의 positional embeding 또한 across heads 사이에 parameter를 share하기 때문에 큰 cost 증가는 없다.
  4. 이렇게 해서 1. captures long range interactions 2. with precise positional information 3. reasonable computation overhead를 모두 가진 position-sensitive self-attention를 만들어 내었다.

3.4 Axial-Attention

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  1. 어찌보면, Stand-alone은 MxM만을 고려하니까, 이러한 receptive field가 local constraint로써, 단점으로 작용할 수 있다. 물론 global connection (HW 모두를 key로 사용하는 것)보다는 computational costs를 줄일 수 있어서 좋았다.
  2. Axial-attention의 시간 복잡도는 O(hw(query갯수) x m^2(key갯수=H or W) ) 이다. m에 제곱에 비례한 시간 복잡도를 가지고 있다.
  3. axial-attention를 이용해서
    • (장점1) global connection(=capture global information) 을 사용하고
    • (장점2) 각 query에 HW를 모두 key로 사용하는 것 보다는, efficient computation 을 획득한다. 위 그림과 같이 width-axis, height-axis 방향으로 2번 적용한다.

3.5 Axial-ResNet

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  • 별거 없고, residual bottleneck block 내부의 일부 conv연산을 Axial atention으로 대체한다.
  • 사실 위의 Fig2가 conv연산을 대체하는 Axial atention의 모습이다. 확실히 Input과 ouput의 shape가 같으므로, 어디든 쉽게 붙이고 때며 적용할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
  • Full Axial-ResNet : simply stack three axial-attention bottleneck blocks. 즉 residual block의 전체 conv를 Axial atention으로 대체하여 사용하는 것이다.

3.6 Axial-DeepLab:

  1. Panoptic-DeepLab이란? : 각 Final head는 (1) semantic segmentation (2) class-agnostic instance segmentation 결과를 생성해 내고, 이 결과들을 majority voting 기법을 이용해서 merge 하는 방법론이다. Panoptic-DeepLab논문 참조.
  2. DeepLab에서 stride를 변경하고 atrous rates를 사용해서 dense feature maps을 뽑아내었다. 우리는 axial-attention을 사용함으로써 충분한 global information을 뽑아내기 때문에, ‘atrous’ attention (?)을 사용하지 않았고, stride of the last stage (?)를 제거했다고 한다.
  3. 같은 이유로, global information은 충분하기 때문에, atrous spatial pyramid pooling module를 사용하지 않았다.
  4. extremely large inputs 에 대해서는 m = 65을 가지는 mxm주변의 영역에 대해서만 axial-attention blocks 을 적용했다. (? 정확하게 맞는지 모르겠다)

4. Experimental Results

  • 사실 이 이후로는 논문 안 읽었다. 필요하면 찾아 읽자.
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youtube 내용 정리

  1. Intro & Overview
    • transformer가 NLP에서 LSTM을 대체한 것 처럼, Image process에서도 convolution을 대체할 것이다. 이러한 방향으로 가는 step이 이 논문이라고 할 수 있다.
  2. From Convolution to Self-Attention for Images
    1. https://www.youtube.com/watch?v=hv3UO3G0Ofo&t=380s
  3. Learned Positional Embeddings
  4. Propagating Positional Embeddings through Layers
  5. Traditional vs Position-Augmented Attention
  6. Axial Attention
  7. Replacing Convolutions in ResNet
  8. Experimental Results & Examples