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视觉智能的「破壁者」——Transformer如何重塑计算机视觉范式？三大CV算法论文介绍 ViTMAESwin Transformer

news 2025/9/15 6:03:12

当自然语言处理领域因Transformer而焕发新生时，计算机视觉却长期困于卷积神经网络的架构桎梏。直到ViT（Vision Transformer）的横空出世，才真正打破了视觉与语言之间的壁垒。它不仅是技术的革新，更是范式革命的开始：图像不再是像素的矩阵，而是视觉词汇的序列。随后，MAE以掩码重建的巧思将自监督学习推向新高度，而Swin Transformer则以分层结构与滑动窗口的智慧，让Transformer在视觉任务中既高效又强大。这篇笔记将带你深入这三篇里程碑论文的核心，揭示它们如何共同构建了一个通向通用智能的多模态未来。

本笔记系统精读了三篇计算机视觉领域的革命性论文：ViT、MAE和Swin Transformer。它们分别解决了Transformer在视觉任务中的三大核心挑战：架构适配、自监督预训练和计算效率与层次建模。

ViT（Vision Transformer） 首次将纯Transformer应用于图像分类，通过将图像分割为块（Patch）序列并直接输入Encoder，证明了在大规模数据上Transformer可超越CNN。其关键突破在于摒弃了卷积的归纳偏置（局部性、平移等变性），仅依靠注意力机制实现全局建模，为多模态统一奠定了基础。
MAE（Masked Autoencoder） 借鉴BERT的掩码语言模型思想，但针对视觉信号的高冗余度，提出高比例掩码（如75%）和不对称编解码架构。编码器仅处理可见块，轻量解码器重建像素，显著降低了预训练成本并学习了高质量表征，证明了自监督在视觉领域的巨大潜力。
Swin Transformer 通过分层结构（模拟CNN的多尺度特征）和移动窗口自注意力（将计算复杂度从平方降为线性），解决了ViT在高分辨率图像（如检测、分割）上的计算瓶颈。其滑动窗口机制既保留了全局建模能力，又实现了高效计算，成为通用视觉主干网络的标杆。

这三项工作标志着视觉领域已从CNN时代迈入Transformer时代，其核心思想——序列化建模、自监督学习、层次化设计——不仅推动了视觉技术的发展，更为视觉与语言的统一建模提供了关键路径。未来的多模态智能系统，必将构建于此基础之上。

1. ViT - CV版的Transformer

1.1 摘要 + 导言 + 结论

1.2 架构

1.3 Experiments 实验结果

2. MAE - CV版的BERT

2.1 摘要 + 导言

2.2 Approach 方法

操作流程

2.3 Experiments 实验结果

3. Swin Transformer ViT结合CNN（分层结构+滑动窗口）

3.1 摘要 + 导言 + 结论

3.2 Method 方法

3.2.1 Overall Architecture

3.2.2 Shifted Window based Self-Attention 滑动窗口自注意力

3.3 Experiments 实验结果

1. ViT - CV版的Transformer

ViT论文逐段精读【论文精读】

AN IMAGE IS WORTH 16X16 WORDS: TRANSFORMERS FOR IMAGE RECOGNITION AT SCALE

将图像视为由“单词”（patches）组成的“句子”。具体做法是把一张图像分割成固定大小的图像块（例如16x16像素），每个图像块就类似于自然语言处理（NLP）中的一个单词 token。然后将这些图像块组成的序列直接输入标准的Transformer架构（具体是Transformer Encoder）进行图像分类。

1.1 摘要 + 导言 + 结论

Transformer、注意力机制在NLP大火，但在CV领域注意力机制只是用于CNN架构中的组件改变，本文将纯Transformer应用于图像块序列。在基准数据集（ImageNet、CIFAR-100、VTAB等）表现很好并训练计算资源显著减少。

一个224*224的图片 5w个像素点如果把每个像素点拉直作为一个独立单元，算注意力是 n^2复杂度，就太高了。可以把16*16的图像作为一个单元；一共14*14 = 196个单元。

ViT 是很好的挖坑之作未来很多用Transformer做CV。Transformer 在 NLP和CV上都适用为后来多模态 打通CV和NLP。

1.2 架构

Patch：单个图片 224*224*3 分成 14*14=196个 16*16*3=768；

embedding 乘上一个 768*d 的矩阵；（196*768） * （768*d） -> 196*d

在最开头加上一个分类字符 [cls]（similar to BERT's [class] token）即变成197*d

因为和别的位置两两自注意力，这个[cls]实则包含了其他位置的所有信息；把这个送个MLP分类。

CNN inductive biases 归纳偏置：

局部性：假设图像中有意义的特征（如边缘、纹理、角落）通常由相邻的像素组成，而非相距甚远的像素。因此，卷积核只关注一个小窗口（如3x3）内的局部信息。
平移等变性：意味着一个物体在图像中移动后，其对应的特征也会在特征图中发生同样的移动。卷积操作在任何位置都是共享参数的，它不关心特征具体在图像的哪个位置。
空间层次结构：复杂的、全局的特征（如一张脸）是由简单的、局部的特征（如眼睛、鼻子、嘴巴）逐步组合而成的。通过池化层（Pooling Layers） 和逐步增加感受野的卷积层堆叠来实现。

而ViT 没有使用归纳偏置而是：

Patch Extraction：将一张图像简单地切割成一系列固定大小的图像块（Patches），然后将每个块展平成一个向量。这可以看作是模型唯一需要做的关于“图像是2D网格”的假设。
学习添加位置编码：由于Transformer本身是置换不变（Permutation-Invariant）的（即不关心输入序列的顺序），ViT需要显式地添加位置编码（Position Embedding） 来告诉模型“每个图像块在原始图像中的位置信息”。这个位置关系不是硬编码的规律，而是需要模型从数据中学习的参数。
送入标准Transformer编码器：之后的过程就和处理一堆单词没有任何区别了。自注意力机制是全局的——从第一层开始，每个块（token）就可以和图像中任何位置的块进行交互和集成信息。它没有“局部性”的假设，也没有通过卷积来强制实现“平移等变性”。

1.3 Experiments 实验结果

不同大小的ViT 和 BiT-L(ResNet152x4)比，训练时间大大缩短，并且最大的ViT 结果全面超过了。

在多大的训练集上效果比较好呢？灰色的线 BiT代表不同大小的残差神经网络（灰色部分可看做对比的ReSNet的水平）。

不同大小的彩色圆点代表不同大小的ViT。小规模比不上残差神经网络，大规模上效果好。

验证注意力机制的有效性：

左图：标注出Attention 对应的位置

中图：位置编码黄点代表相似度高的可以看出已经学到对应的位置了。

右图：证明Attention 在最开始 depth比较浅的时候就可以有比较高的pixels 注意到全局（CNN最初只能注意局部）

2. MAE - CV版的BERT

MAE 论文逐段精读【论文精读】

Masked Autoencoders Are Scalable Vision Learners

2.1 摘要 + 导言

掩码自编码器（MAE）是可扩展的计算机视觉自监督学习器。我们的MAE方法非常简单：随机掩码输入图像块并重建缺失像素。该方法基于两个核心设计：其一，我们设计了非对称的编码器-解码器架构，其中编码器仅处理可见图像块（不含掩码标记），同时配备轻量级解码器，根据潜在表征和掩码标记重建原始图像；其二，我们发现对输入图像实施高比例掩码（如75%）能产生具有挑战性且意义丰富的自监督任务，在提升精度的同时让编码器仅处理少量图像块（如25%），使总体预训练时间减少3倍以上并降低内存消耗，从而轻松将MAE扩展至大型模型。这两种设计的结合使我们能够高效训练大规模模型。

标记数据稀缺 -> 自监督；自编码方法在视觉领域的进展仍落后于NLP，痛点：

（i）ViT 为 CV补上了架构的鸿沟（[cls] 嵌入这些）

（ii）信息密度差异：语言是人类产生的高度语义化和信息密集的信号。当训练模型仅预测句子中少量缺失词时，该任务就能引发复杂的语言理解。相反，图像是具有强烈空间冗余的自然信号——例如，无需对部件、物体和场景进行高层理解，仅凭相邻图像块即可重建缺失区域。为克服这种差异并促进学习有用特征，我们证明一种简单策略在计算机视觉中非常有效：对随机图像块实施极高比例的掩码。该策略大幅降低冗余度，创建了需要超越低级图像统计的整体理解能力的挑战性自监督任务。（图像冗余多所以要相对语言多掩码）

（iii）解码器作用差异：将潜在表征映射回输入的自编码器解码器，在文本与图像重建中扮演不同角色。在视觉领域，解码器重建像素，因此其输出语义级别低于常见识别任务。这与语言领域形成鲜明对比——解码器预测的缺失词包含丰富语义信息。虽然BERT的解码器可以非常简单（如MLP），但我们发现对于图像而言，解码器设计对决定学习到的潜在表征的语义水平起着关键作用。（图像解码器需要比语言的更复杂）

例子：左为masked；中为MAE复原的；右为图像本来的

2.2 Approach 方法

掩码：挑一个小子集作为基础其他都掩码掉（高度稀疏的输入 -> 高效编码器）

编码器：对未掩码的小部分块进入类似ViT的结构；

解码器（仅用于预训练）可以看到未被掩码的，也可以看到masked的（用一个 共享的可学习的向量表示）

损失函数：计算像素空间中原图与重建图像在掩码区域上的均方误差（MSE）

对每个图像块归一化后训练效果更好。

操作流程

1. 线性投影添加位置编码

2. 随机打乱，按比例移除列表后半部分，前部分给编码器

3. 编码后，掩码列表补全到列表后方，并对完整列表进行逆乱序操作（把2 随机打乱变换回去）再进行解码

2.3 Experiments 实验结果

ViT-Large 原始与加正则化；baseline MAE

encoder、decoder深度 mask的比例和采样方式、重建目标、数据增强的一些参数比较。

很好的性质轮数越多效果越好

迁移学习 在别的CV任务上的能力：

目标检测COCO 语义分割ADE20K

3. Swin Transformer ViT结合CNN（分层结构+滑动窗口）

Swin Transformer: Hierarchical Vision Transformer using Shifted Windows

Swin Transformer论文精读【论文精读】

3.1 摘要 + 导言 + 结论

目标提出 Swin Transformer 作为 general-purpose backbone for computer vision 计算机视觉的通用主干网络

NLP中的Transformer用于视觉领域存在两大难题：

尺度变化大：图像中的物体（视觉实体）大小可以千差万别（如一张图里既有巨大的天空又有微小的飞鸟）。
分辨率过高：图像由大量像素组成，而文本中的单词数量相对少得多。Transformer的自注意力机制计算复杂度是序列长度的平方，直接处理图像像素会导致计算量无法承受。

我们通过两个关键创新来解决上述挑战：分层结构 和 移动窗口。

移动窗口 (Shifted Windows):

效率：将自注意力计算限制在不重叠的局部窗口内。例如，将图像分成许多小块，只计算每个小块内部像素之间的关系。这极大地降低了计算复杂度。
连接性： 移动窗口的机制使得在下一层中，窗口的边界会发生偏移，从而让不同窗口之间的像素能够进行交互cross-window connection，获取全局信息。如果不平移的话一个patch只能看到内部而看不到全局，上例每次往右下方平移两格。

分层结构 (Hierarchical Architecture):

多尺度建模：像CNN一样，随着网络加深，逐渐合并merge patches（起到CNN中pooling的作用），形成特征图（如 16x16 -> 8x8 -> 4x4）。这使其能够灵活处理不同尺度的物体。
线性复杂度：得益于局部窗口注意力，其计算复杂度与图像大小呈线性关系，而不是平方关系，使其能处理高分辨率图像，降低计算复杂度。