参考教程：
swin-transformer/model.py
SWIN-Transformer: Hierarchical Vision Transformer using Shifted Windows

概述

在前面介绍了vision transformer的原理，加入transformer的结构后，这种网络在多种图像任务中都取得了不错的结果。但是它也存在一些问题。

第一个问题就是上一章提过的粗粒度问题，patch的大小比较大时，一个patch内可能有多个相似特征。

第二个问题就是当你想获得更多的特征时，就必须使用很长的序列。这里的序列长度指的是N*D中的N。想要获得更多的N，patch的大小就需要变小，也就是更加细粒度。但是这种情况下，在计算内积的时候就效率很低，尤其考虑到encoder的block要反复做很多次，速度就更慢了。

上图可以看出swin-transformer和vit有着比较明显的区别。首先siwn有着层次化的结构，随着层数加深，特征图的大小是在变化的。在VIT中，假如你将原始图片分割成16x16的patch，那么从始至终你的patch的大小都是固定的，而在swin中你能看出你的patch的大小有一个4*4->8*8->16*16的变化。其次是swing的特征图中有很多的划分好的名为窗口的区域，这也是它的方法的核心，VIT中所有的patch之间都要进行self-attention的计算，而swin中只在窗口内进行计算，这样计算量也会大大减小。

swin-transformer使用窗口和分层的方式。为了把结果做的比较好，第一层用很细粒度的token，在后面的层里为了提高效率，开始进行token的合并。经过每一层合并，token的数量会越来越少，计算量也会相对的减少。

token数量逐渐降低，就像卷积网络中feature map逐渐减小的过程。swin-transformer其实就是模拟了CNN的过程，随着层次的加深，token的数量降低，但是embedding_dim按层翻倍。

看整个流程，本质上还是一样的。首先对输入的图像进行编码。这里使用的是patch partition, 获得H/4*W/4个embedding，embedding_dim = 4*4*3 = 48。

之后开始在网络中进行一层一层的forward。并且隔几个block进行一次patch merging。patch merging的作用就是将patch合并在一起，减少patch的数量。

在这个网络中，使用的block就是swin-transformer block，也就是shifted windows transformer，基于滑动窗口的方法。作者提出了滑动窗口这个机制，它不仅限制了没有重叠的窗口的自注意力计算，也允许跨窗口的连接。这样窗口内部和窗口之间都会存在信息传递。

综合来说，它的整体架构还是可以分成两部分：

得到pacth。
分层计算attention

transformer blocks

swin transformer block 和VIT中transformer block的主要区别就是用一个基于shifted window计算的多头自注意力模块取代了标准的MSA。
那么基于窗口的MSA做了哪些工作呢？
swin使用窗口，把一个图像分成一块一块不重叠的区域。假设每一个窗口包含M*M的patch。那么对于一个拥有h*w个patch的图像，MSA和W-MSA的计算量会有很大的差别。
$$ \begin{aligned} \Omega (MSA) = 4hwC^2 + 2(hw)^2C\\ \Omega (W-MSA) = 4hwC^2 + 2M^2hwC \end{aligned} $$
在h和w很大的时候，global的自注意力的计算量是难以负担的，但是基于窗口的自注意力下，计算量就比较容易接受。

计算量

来看一下这个计算量是如何计算得到的。

对于MSA：
1. C代表着我们的token的维度，假设我们的输入大小为$A^{h*w, C}$，在进行Q\K\V的计算时维度没有发生变化，那么我们计算$A^{h*w, C} * W^{C,C}$的矩阵乘法的过程中，每次计算的计算量是$hwC^2$
2. 因为Q\K\V计算了三次，所以三次的计算量为$3hwC^2$。
3. 下一步是计算$Q^{h*w, C}$和$K^{h*w, C}$的内积，计算结果为$X^{h*w,h*w}$，内积计算需要点对点进行计算，所以计算量为$h^2w^2C$。
4. 再下一步计算$X^{h*w,h*w}*V^{h*w, C}$，计算量为$h^2w^2C$。
5. 因为这里是多头的自注意力机制，所以还需要增加一步$B^{h*w,C}* W^{C,C}$，计算量为$hwC$
6. 所以对h*w个patch做MSA，总的计算量加起来为$4hwC^2 + 2h^2w^2C$
对于W-MSA:
假如窗口大小为M*M，那么在W-MSA中窗口数量为$\frac{h}{M}*\frac{w}{M}$
1. 对M*M个patch做MSA，总的计算量是$4M^2C^2 + 2M^4C$
2. 一共要进行$\frac{h}{M}*\frac{w}{M}$ 次这样的计算，那么总的计算量是：
  $$ \begin{aligned} &\frac{h}{M}*\frac{w}{M} * (4M^2C^2 + 2M^4C)\\ =&\frac{hw}{M^2}*(4M^2C^2 + 2M^4C)\\ =&\frac{hw}{M^2}*4M^2C^2 + \frac{hw}{M^2}*2M^4C\\ =&4hwC^2 + 2M^2hwC \end{aligned} $$

swin-transformer block

在swin-transformer中，有两种block，两个block要连在一起使用。
第一个block是W-MSA + MLP。
第二个block是SW-MSA + MLP。

两个block连在一起才是完整的结构。

从源码上看在进入和离开窗口时，embedding都会有形状的改变，分别为window_partition，作用是把大小为B*N*D的输入转成窗口的格式。在经过attention计算后，再使用window_reverse转回去。

整个block的计算公式可以写为：

window-partion

比如说我们的输入是一个224*224*3的图像，在经过patch embedding后得到56*56*96的结果。也就是说我们的图像被分成了56*56个4x4的小patch，每个4*4的小patch在处理后得到长度为96的embedding，到这一步，我们的数据就变成了56*56*96。

那么为了使用window-MSA，我们需要将这个patch_embedding再次变成一个窗口一个窗口的形状。假设我们的窗口大小为7。那么我们就可以得到8*8*7*7*96大小的embedding。前面的8*8代表你的window的个数，7*7是你的window的大小，96是每个位置的embedding的长度。

W-MSA

window-MAS就是在window范围内进行的自注意力计算。一个窗口的大小是7*7，也就是说每个窗口内有49个元素，我们要求这49个元素互相的关注度。

因为只在窗口内进行计算，所以可以理解成 8*8 = 64是你的batch_size, batch中的每个特征是不会互相影响的。7*7 = 64是你的word_number，96是你的word的embedding。这其实是和普通的MSA计算过程是一样的。

现在我们使用多头MSA对我们的64*49*96的输入进行计算。我们可以得到：
$$ SizeOf(Q/K/V) = 64 \times 3\times 49\times (96/3) $$
Q和K进行内积，得到的自注意力map的大小为64*3*49*49。
然后再和V加权求和，得到最终输出的token大小为64*3*49*(96/3)。

window-reverse

我们的token在进入block时进行了partion，再出去时我们希望得到的结果能保持和输入的token一样的大小。
对上面的结果直接进行reshape，就可以从64*49*96变回56*56*96。

shifted-window MSA

window-based 自注意力就像我们上面说的，只在窗口内进行计算，窗口间互不影响。但这种情况下，我们得到的就不是全局的特征了，所以shifted-window MSA就在这里起到了窗口间通信的作用。它通过滑动窗口的方式，更改窗口的位置，实现不同区域的交互。

shifted window会带来更多的窗口数量，原本的窗口数是$\frac{h}{M}*\frac{w}{M}$，窗口经过平移后，新的窗口数会变成$(\frac{h}{M}+1)*(\frac{w}{M}+1)$，并且窗口的大小也变得不一样。
论文中采用的方法是将右/下方的window移动到左/上放，使用带mask机制的自注意力计算，并在计算出结果后将结果恢复至原来的窗口。
（这一块解释起来好复杂，论文中也也很含糊啊）

Patch Merging

从百度里偷了一张图。

patch merging在这里就相当于一个下采样操作。
并且它采用的方法在之前也很常见，具体可以参考yolov2的passthrough，yolov5的FOCUS模块。本质上就是从一个feature map上间隔挑选，挑出4个大小为 h/2, w/2的新feature，并concat到一起，那么它的通道数其实是变成了4倍。

~~所以在后面又添加一个卷积层，进行降维操作。从而达成一次下采样，维度翻一倍的经典类卷积网络结构。~~
源码中都是用的全连接进行降维的。

relative position bias

【这里我需要抽空再看看】

在进行自注意力的计算时，增加一个relative position bias。
$$ Attention(Q,K,V) = SortMax(QK^T/\sqrt d+B)V $$
假设patch的数量是$M^2$，那么相对位置的范围就是[ -M+1, M-1]。所以论文作者使用了一个大小为[2M-1, 2M-1]的大bias matrix，实际使用的B就是从这里选出的。

代码实现

我们先来看一下整个流程，确认一下模型中都需要哪些结构。

对于一个输入图片，把它处理成token的形式。
对于每一个block，我们需要有
1. window_partion
2. window_reverse
3. W-MSA (W-MSA和SW-MSA共用一个）
4. MLP
5. LN
输出头。

我们一步一步来完成整个流程。
代码主要参考：
https://github.com/microsoft/Swin-Transformer/blob/main/models/swin_transformer.py

https://github.com/WZMIAOMIAO/deep-learning-for-image-processing/blob/master/pytorch_classification/swin_transformer/model.py

input embedding

在swin的设置中，最初的patch_size大小是4， embed_dim大小是96，也就是说对于一个大小为$(h, w, c)$的输入，我们得到的embedding大小应该是$(h/4,w/4,96)$。
这一部分我们仍像之前一样使用卷积来完成。

去掉我写的无关紧要的注释的部分，这个代码和VIT最开始的patch embedding没有什么区别。核心都是conv+norm。

class PatchEmbed(nn.Module):

    def __init__(self, patch_size=4, in_c=3, embed_dim=96, norm_layer=None):
        super().__init__()
        patch_size = (patch_size, patch_size)
        self.patch_size = patch_size
        self.in_chans = in_c
        self.embed_dim = embed_dim
        self.proj = nn.Conv2d(in_c, embed_dim, kernel_size=patch_size, stride=patch_size)
        self.norm = norm_layer(embed_dim) if norm_layer else nn.Identity()

    def forward(self, x):

        B, C, H, W = x.shape
        # 官方还限制了输入输出图像大小的要求，应该是从窗口数量考虑的，这里默认图像大小都符合要求，就不额外写了。
        # 另一个参考代码中，还考虑了对不符合大小的图像进行padding。
        # 我个人看法是假如你的图像大小真的和规定差距很大的时候，你除了padding成patch_size的倍数外，你还需要考虑你的
        # 窗口数量是否符合要求，比如223*224的输出，窗口大小7*7，最初你的数量是8*8，随着两两合并的过程
        # 这个数量是会按2倍下采样缩小的。
        # pad_input = (H % self.patch_size[0] != 0) or (W % self.patch_size[1] != 0)
        # if pad_input:
            # to pad the last 3 dimensions,
            # (W_left, W_right, H_top,H_bottom, C_front, C_back)
            # x = F.pad(x, (0, self.patch_size[1] - W % self.patch_size[1],
            #              0, self.patch_size[0] - H % self.patch_size[0],
            #              0, 0))

        x = self.proj(x).flatten(2).transpose(1,2)
        x = self.norm(x)

        return x

在对输入图像做了patch_embedding后，还要对它加上position_embedding。
在之前的position_embedding中我们还考虑了cls头，在这里不需要考虑。

 self.absolute_pos_embed = nn.Parameter(torch.zeros(1, num_patches, embed_dim))

sub-module

将一个swin-transformer block拆开来看，介绍一下每一部分是如何实现的。

window-partion

window-partion的过程其实就是个reshape的过程。比如我们第一步得到的patch_embedding大小是56*56*96。在这一步就会reshape成$(\frac{56}{window\_size}*\frac{56}{window\_size}*window\_size*window\_size*96)$。我们只计算window内部的self-attention。前面的个数全都可以看作batch_size。也就是说输出结果可以当作$(n, window\_size, window\_size, 96)$，那么每个窗口内会有$window\_size^2$个元素来进行自注意力的计算。

def window_partition(x, window_size):
    """
    Args:
        x: (B, H, W, C)
        window_size (int): window size

    Returns:
        windows: (num_windows*B, window_size, window_size, C)
    """
    B, H, W, C = x.shape
    x = x.view(B, H // window_size, window_size, W // window_size, window_size, C)
    windows = x.permute(0, 1, 3, 2, 4, 5).contiguous().view(-1, window_size, window_size, C)
    return windows

在进入attention模块之前，我们得到的window_partition的结果还会在reshape一下。我们输入attention的数据的格式要求是$(batch, number, embd_dim)$，partition结果与之对应的就是$(batch*number\_window, window\_size^2, embd\_dim)$

x_windows = x_windows.view(-1, self.window_size * self.window_size, C)

window_reverse

window_reverse的过程和window_partition的过程正好相反，它会把带窗口的embedding变回最初的大小。也就是从$(batch*number\_window, window\_size^2, embd\_dim)$变回56*56*96（在我们设定的情况下的大小）。

def window_reverse(windows, window_size, H, W):
    """
    Args:
        windows: (num_windows*B, window_size, window_size, C)
        window_size (int): Window size
        H (int): Height of image
        W (int): Width of image

    Returns:
        x: (B, H, W, C)
    """
    B = int(windows.shape[0] / (H * W / window_size / window_size))
    # 真正的B等于输入的第一个维度/window的个数。
    x = windows.view(B, H // window_size, W // window_size, window_size, window_size, -1)
    x = x.permute(0, 1, 3, 2, 4, 5).contiguous().view(B, H, W, -1)
    return x

W-MSA

处理成按window分的patch后，下一步就是正常的做MSA就可以了。

我们先不考虑shifted-window的平移，只看一下window-MSA的代码是怎么实现的。

在下方的代码上我都给出了注释，其实可以看出来，除了增加了 relative_position_bias的部分和mask，这段代码和上一章节里面VIT的MSA的部分是完全一样的。没有任何差别。

这里的mask在不用shift的时候就是None，所以在W-MSA里其实没有用到它，它只在shifted-window MSA起作用。

class WindowAttention(nn.Module):
    def __init__(self, emd_size, window_size, num_head, qkv_bias = True, attn_drop = 0., proj_drop = 0.):
        self.emb_size = emb_size
        self.num_heads = num_head
        head_im = dim//num_head
        self.scale = qk_scale or head_dim**-0.5
        self.qkv = nn.Linear(emb_size, emb_size *3, bias = qkv_bias)
        self.attn_drop = nn.Dropout(attn_drop)
        self.proj = nn.Linear(emb_size, emb_size)
        self.proj_drop = nn.Dropout(proj_drop)
        # 上面这部分就是普通的MSA一样的部分。没有任何修改。
        # 下面的部分加了relative position bias。这部分我其实也不是很明白。


        self.window_size = window_size
        self.relative_position_bias_table = nn.Parameter(
        torch.zeros((2 * window_size[0] - 1)*(2*window_size[1] - 1), num_heads))
        # 这个地方就是上面说过的[2*M-1, 2*M-1]的bias matrix

        #下面这段直接从官方源码复制过来的
        coords_h = torch.arange(self.window_size[0])
        coords_w = torch.arange(self.window_size[1])
        coords = torch.stack(torch.meshgrid([coords_h, coords_w]))  # 2, Wh, Ww
        # 生成网格，大小为[2, h, w]，
        coords_flatten = torch.flatten(coords, 1)  # 2, Wh*Ww
        # flatten 大小变成(2,h*w)
        relative_coords = coords_flatten[:, :, None] - coords_flatten[:, None, :]  # 2, Wh*Ww, Wh*Ww
        relative_coords = relative_coords.permute(1, 2, 0).contiguous()  # Wh*Ww, Wh*Ww, 2
        relative_coords[:, :, 0] += self.window_size[0] - 1  # shift to start from 0
        relative_coords[:, :, 1] += self.window_size[1] - 1
        relative_coords[:, :, 0] *= 2 * self.window_size[1] - 1
        relative_position_index = relative_coords.sum(-1)  # Wh*Ww, Wh*Ww
        self.register_buffer("relative_position_index", relative_position_index)

    def forward(self, x, mask=None):

        B, N, D = x.shape  # 这里的输入已经是window_partition后的结果。
        # 这里的B_其实是 batch_size * wind_num *wind_num，这里的N是window_size*window_size

        qkv = self.qkv(x)
        qkv = self.qkv(x).reshape(B, N, 3, self.num_heads, D//self.num_heads).permute(2,0,3,1,4)
        queries, keys, values = qkv[0], qkv[1], qkv[2]

        attn = (queries@keys.transpose(-2,-1)) * self.scale

        # 到这里，上面的部分还是和VIT里的是一样的。

        relative_position_bias = self.relative_position_bias_table[self.relative_position_index.view(-1)].view(
            self.window_size[0] * self.window_size[1], self.window_size[0] * self.window_size[1], -1)  # Wh*Ww,Wh*Ww,nH
        relative_position_bias = relative_position_bias.permute(2, 0, 1).contiguous()  # nH, Wh*Ww, Wh*Ww

        attn = attn + relative_position_bias.unsqueeze(0) # 加上相对位置偏移。

        if mask is not None:
            nW = mask.shape[0]
            attn =  attn.view(B//nw, nw, self.num_head, N, N) + mask.unsqueeze(1).unsqueeze(0)
            attn = attn.view(-1, self.num_heads,N, N)

        # 往后的部分和之前也是一样的。
        attn = attn.sortmax(dim=-1)

        attn = self.attn_drop(attn)

        x = (attn @ v).transpose(1, 2).reshape(B, N, D)
        x = self.proj(x)
        x = self.proj_drop(x)
        return x

SW-MSA

SW-MSA和MSA是共用的一个class实现的，他们的区别就在于SW-MSA的前向中会使用的mask。mask是在block初始化的时候创建的。

if self.shift_size > 0:
            # calculate attention mask for SW-MSA
            H, W = self.input_resolution
            img_mask = torch.zeros((1, H, W, 1))  # 1 H W 1
            h_slices = (slice(0, -self.window_size),
                        slice(-self.window_size, -self.shift_size),
                        slice(-self.shift_size, None))
            w_slices = (slice(0, -self.window_size),
                        slice(-self.window_size, -self.shift_size),
                        slice(-self.shift_size, None))
            cnt = 0
            for h in h_slices:
                for w in w_slices:
                    img_mask[:, h, w, :] = cnt
                    cnt += 1

            mask_windows = window_partition(img_mask, self.window_size)  # nW, window_size, window_size, 1
            mask_windows = mask_windows.view(-1, self.window_size * self.window_size)
            attn_mask = mask_windows.unsqueeze(1) - mask_windows.unsqueeze(2)
            attn_mask = attn_mask.masked_fill(attn_mask != 0, float(-100.0)).masked_fill(attn_mask == 0, float(0.0))

在前向forward使用时，这里面使用到了一个不太常见的函数。

torch.roll(input, shifts, dims=None)

torch.roll的作用就是滚动元素的位置，原本在最后的元素会回滚到最前方。和shifted_window在解决平移后窗口变多的处理理念是一样的，shifted_window想要把最右边和最下边的零碎窗口放到最前面和最上面，拼凑出完整的新窗口。torch.roll就帮它完成了这一步。

 if self.shift_size > 0: # shift_size大于0就说明要使用的是shifted_window了。
            if not self.fused_window_process:
                shifted_x = torch.roll(x, shifts=(-self.shift_size, -self.shift_size), dims=(1, 2))
                # partition windows
                x_windows = window_partition(shifted_x, self.window_size)  # nW*B, window_size, window_size, C
            else:
                x_windows = WindowProcess.apply(x, B, H, W, C, -self.shift_size, self.window_size)

shifted_window不仅在partition的时候要特殊处理，在reverse的时候也不太一样。

 if self.shift_size > 0:
            if not self.fused_window_process:
                shifted_x = window_reverse(attn_windows, self.window_size, H, W)  # B H' W' C
                x = torch.roll(shifted_x, shifts=(self.shift_size, self.shift_size), dims=(1, 2))
            else:
                x = WindowProcessReverse.apply(attn_windows, B, H, W, C, self.shift_size, self.window_size)

这部分还是去看源码理解吧。

PatchMerging

直接看一下代码，代码还是很好理解的。

class PatchMerging(nn.Module):

    def __init__(self, input_resolution, dim, norm_layer = nn.LayerNorm):
        super().__init__()
        self.input_resolution = input_resolution
        self.dim = dim
        self.reduction = nn.Linear(4 * dim, 2* dim, bias=False)
        self.norm = norm_layer(4*dim)

    def forward(self, x):
        H, W = self.input_resolution  # 就是当前featuremap的大小
        B, N, D = x.shape

        assert L == H * W, "input feature has wrong size"
        assert H % 2 == 0 and W % 2 == 0, f"x size ({H}*{W}) are not even."

        x = x.view(B, H, W, C)

        x0 = x[:, 0::2, 0::2, :]  # 从00开始，x轴y轴各间隔一个取一个。
        x1 = x[:, 1::2, 0::2, :]  # 从10开始，x轴y轴各间隔一个取一个。
        x2 = x[:, 0::2, 1::2, :]  # 从01开始，x轴y轴各间隔一个取一个。
        x3 = x[:, 1::2, 1::2, :]  # 从11开始，x轴y轴各间隔一个取一个。
        x = torch.cat([x0, x1, x2, x3], -1)  # 到这一步新的大小是 (B, H/2, W/2, C*4)
        x = x.view(B, -1, 4*D) # 到这一步再把featuremap拉平，(B, H*W/4, C*4)

        x = self.norm(x)
        x = self.reduction(x)

        return x

MLP

MLP的部分和之前没有任何差别。可以自己加dropout进去，我没有加。

class MLP(nn.Module):

    def __init__(self, in_features, hidden_features = None, out_feature=None, act_layer=nn.GELU, drop=0):
        super().__init__()

        self.fc1 = nn.Linear(in_features, hidden_features)
        self.act = act_layer()
        self.fc2 = nn.Linear(hidden_features, out_features)
        self.dropout = nn.Dropout(drop)

    def forward(self, x):
        x = self.f1(x)
        x = self.act(x)
        x = self.f2(x)
        x = self.act(x)
        return self.dropout(x)

Swintransformer 与 block

各个组件部分都写完了。现在需要把它组合在一起。
写一个简单的流程逻辑：

class SwinTransformer(nn.Module):
    def __init__(xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx):
        super().__init__()
        ## 省略掉一些初始化
        # 第一个部件，patchembed
        self.path_embed = PatchEmbed(xxxx)
        # 第二个部件，pose_embedding
        self.absolute_pos_embed = nn.Parameter(xxxx)
        # 第三个部件，basicblock
        for i_layer in range(self.num_layers):
            layer = BasicLayer(xxx)
        # 第四个部件，最终的分类头
        self.head = nn.Linear(xxxxx)

这里的BasicLayer就是多个transformer block连接起来组成的ModuleList。所以我们再来看一下每个block流程。

class SwinTransformerBlock(nn.Module):
    def __init__(self,xxxxxxxx):
        super().__init__()
        ## 忽略一些初始化的内容
        # 第一个部件，MSA
        self.attn = WindowAttention(xxxx)
        # 第二个部件，norm。
        self.norm1 = norm_layer(dim)
        self.norm2 = norm_layer(dim)
        # 第三个部件 MLP。
        self.mlp = Mlp(xxxxx)
        # 第四个部件 mask。假如shifted_size >0 需要写一个mask。
        attn_mask = xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
        # 因为partition和merge都是reverse都是函数而不是class，所以不用在初始化中用。
    def forward(self, x):
        # 假设输入x的大小是 B, N, D
        shortcut = x
        # 第一步 window_partition
        x = x.view(B,H,W,D)
        x_windows = window_partition(xxxxx)
        # 这一步得到的结果大小是(B*H/size*W/size,size, size,D)
        x_windows = x_windows.view(-1,  self.window_size * self.window_size, D)
        # 第二步 计算attention
        attn_windows = self.attn(x_dinows, mask = self.attn_mask)
        #第三步 window_reverse
        attn_windows = attn_windows.view(-1,self.window_size, self.window_size, D)
        shifted_x = window_reverse(attn_windows, self.window_size, H, W)
        # 这一步的结果大小是(B, H, W, D)
        x = x.view(B, H * W, D)
        # 现在变成了B,N,D
        # 第四步 add&LN&MLP
        x = shortcut + self.drop_path(x)
        x = x + self.drop_path(self.mlp(self.norm2(x)))
        return x

深度学习原理篇第三章：SWIN-transformer

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