前饋網絡+線性交互層=殘差MLP，Facebook純MLP圖像分類架構入場

最近一段時間，多層感知機（MLP）成為 CV 領域的重點研究對象，谷歌、清華大學等機構的研究者先后提出了純 MLP 構建的視覺架構和新的注意力機制，這些研究將 CV 的研究重心重新指向 MLP。近日，Facebook 提出了具有數據高效訓練、用于圖像分類的純 MLP 架構 ResMLP，當采用現代的訓練方法時，該架構在 ImageNet 數據集上實現了相對不錯的性能。

前幾天，谷歌提出的 MLP-Mixer 引爆 CV 圈，無需卷積、注意力機制，僅需 MLP 即可實現與 CNN、ViT 相媲美的性能。

同樣地，清華大學的 Jittor 團隊提出了一種新的注意機制，稱之為「External Attention」，基于兩個外部的、小的、可學習的和共享的存儲器，只用兩個級聯(lián)的線性層和歸一化層就可以取代現有流行的學習架構中的「Self-attention」，進一步揭示了線性層和注意力機制之間的關系；此外，清華大學丁貴廣團隊將 MLP 作為卷積網絡的一種通用組件實現多種任務性能提升。

MLP->CNN->Transformer->MLP 圈似乎已成為一種趨勢。

近日，來自 Facebook 的研究者進一步推動了這一趨勢，他們提出了 ResMLP（Residual Multi-Layer Perceptron ），一種用于圖像分類的純多層感知機（MLP）架構。

論文鏈接：https://arxiv.org/pdf/2105.03404.pdf

該架構極為簡單：它采用展平后的圖像 patch 作為輸入，通過線性層對其進行映射，然后采用兩個殘差操作對投影特征進行更新：（i）一個簡單的線性 patch 交互層，獨立用于所有通道；（ii）帶有單一隱藏層的 MLP，獨立用于所有 patch。在網絡的末端，這些 patch 被平均池化，進而饋入線性分類器。

該架構是受 ViT 的啟發(fā)，但更加簡單：不采用任何形式的注意力機制，僅僅包含線性層與 GELU 非線性激活函數。該體系架構比 Transformer 的訓練要穩(wěn)定，不需要特定 batch 或者跨通道的標準化（如 Batch-Norm、 GroupNorm 或 LayerNorm）。訓練過程基本延續(xù)了 DeiT 與 CaiT 的訓練方式。

由于 ResMLP 的線性特性，模型中的 patch 交互可以很容易地進行可視化、可解釋。盡管第一層學習到的交互模式與小型卷積濾波器非常類似，研究者在更深層觀察到 patch 間更微妙的交互作用，這些包括某些形式的軸向濾波器（axial filters）以及網絡早期長期交互。

架構方法

ResMLP 的具體架構如下圖 1 所示，采用了路徑展平（flattening）結構：

整體流程

ResMLP 以 N×N 非重疊 patch 組成的網格作為輸入，其中 N 通常為 16。然后，這些非重疊 patch 獨立地通過一個線性層以形成 N^2 個 d 維嵌入。接著，生成的 N^2 個 d 維嵌入被饋入到一個殘差 MLP 層序列中以生成 N^2 個 d 維輸出嵌入。這些輸出嵌入又被平均為一個表征圖像的 d 維向量，這個 d 維向量被饋入到線性分類器中以預測與圖像相關的標簽。訓練中使用到了交叉熵損失。

殘差多感知機層 

網絡序列中的所有層具有相同的結構：線性子層 + 前饋子層。類似于 Transformer 層，每個子層與跳遠連接（skip-connection）并行。研究者沒有使用層歸一化（LayerNormalization），這是因為當使用公式（1）中的 Affine 轉換時，即使沒有層歸一化，訓練也是穩(wěn)定的。

研究者針對每個殘差塊都使用了兩次 Affine 轉換。作為預歸一化，Aff 替代了層歸一化，并不再使用通道級統(tǒng)計（channel-wise statistics）。作為殘差塊的后處理，Aff 實現了層擴展（LayerScale），因而可以在后歸一化時采用與 [50] 中相同的小值初始化。這兩種轉換在推理時均集成至線性層。

此外，研究者在前饋子層中采用與 Transformer 中相同的結構，并且只使用 GELU 函數替代 ReLU 非線性。

與 Transformer 層的主要區(qū)別在于，研究者使用以下公式（2）中定義的線性交互替代自注意力：

與 ViT 的關聯(lián)

• ResMLP 是 ViT 模型的大幅度簡化，但具有以下幾個不同點：

• ResMLP 沒有采用任何自注意力塊，使用的是非線性（non-linearity）的線性 patch 交互層；

• ResMLP 沒有采用額外的「類（class）」token，相反只使用了平均池化；

• ResMLP 沒有采用任何形式的位置嵌入，不需要的原因是 patch 之間的線性通信模塊考慮到了 patch 位置；

• ResMLP 沒有采用預層歸一化，相反使用了簡單的可學習 affine 轉換，從而避免了任何形式的批和通道級統(tǒng)計。

實驗結果

研究者在 ImageNet-1k 數據集上訓練模型，該數據集包含 1.2M 張圖像，平均分布在 1000 個對象類別中。他們在實驗中采用了兩種訓練范式：監(jiān)督學習和知識蒸餾。

首先，研究者將 ResMLP 與 Transformer、convnet 在監(jiān)督學習框架下進行了比較，如下表 1 所示，ResMLP 取得了相對不錯的 Top-1 準確率。

其次，利用知識蒸餾提高模型的收斂性，結果如下表 2 所示。與 DeiT 模型類似，ResMLP 可以從 convnet 蒸餾中顯著獲益。

實驗還評估了 ResMLP 在遷移學習方面的性能。下表 3 展示了不同網絡架構在不同圖像基準上的性能表現，數據集采用了 CIFAR-10、CIFAR100、Flowers-1022、 Stanford Cars 以及 iNaturalist 。

權重稀疏性測量也是研究者的關注點之一。下圖 2 的 ResMLP-24 線性層的可視化結果表明線性通信層是稀疏的，并在下圖 3 中進行了更詳細的定量分析。結果表明，所有三個矩陣都是稀疏的，實現 patch 通信的層明顯更稀疏。

最后，研究者探討了 MLP 的過擬合控制，下圖 4 控制實驗中探索了泛化問題。

參考鏈接：https://bbs.cvmart.net/post/4750