DCN升级 | 扩展DCNv3，探索大模型，COCO新纪录64.5mAP
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2022-11-15 02:28
https://arxiv.oorg/abs/2211.05778 https://github.com/OpenGVLab/InternImage
相比近年来大尺度ViT取得的巨大成功，基于CNN的大尺度模型仍处于早期阶段。本文提出了一种新的基于CNN的大尺度基础模型InternImage，它通过类似ViT提升参数量与训练数据等方式取得了大幅性能提升。
不同于近来聚焦于大核的CNN方案，InternImage以形变卷积作为核心操作(不仅具有下游任务所需的有效感受野，同时具有输入与任务自适应空域聚合能力)。所提方案降低了传统CNN的严格归纳偏置，同时可以学习更强更鲁棒的表达能力。ImageNet、COCO以及ADE20K等任务上的实验验证了所提方案的有效性，值得一提的是：InternImage-H在COCO test-dev上取得了新的记录65.4mAP。
出发点
通过提升参数量(＞1B)、大尺度训练数据(+JFT300)，ViT在大尺度模型方面取得了巨大成功，大败CNN、大幅提升了一系列CN任务(含分类、检测以及分割等)的性能边界。尽管如此，作者认为：当加持类似ViT的算子/架构设计、参数提升以及大尺度数据后，CNN基础模型同样可以取得与ViT相当甚至更好的性能。
作者首先对CNN与ViT的差异性进行了总结：
从算子维度来看，ViT的多头自注意力(MHSA)具有长程建模与自适应空域聚合能力(见上图a)； 从架构维度来看，ViT包含一系列先进的成分，如LN、FFN、GELU等； 从感受野角度来看，大核卷积方案在性能与模型尺度方面与ViT相比仍存在差距。
作者以DCNv2算子为基础，通过对其扩展得到DCNv3，然后参考ViT从block与架构维度进行定制化得到了本文所提InternImage(见上图d)。本文贡献包含以下三点：
提出一种新的大尺度CNN基础模型InternImage，也是首个参数达1B、训练数据达400M并取得与ViT相当、甚至更优的CNN方案。这说明：对于大尺度模型研究，卷积模型同样是一个值得探索的方向。 通过将长程依赖、自适应空域聚合引入到DCNv3，作者成功的对CNN进行了大尺度扩展，同时还对模块定制化、堆叠规则以及缩放策略进行了探索。 图像分类、目标检测、语义分割以及实例分割等任务实验结果验证了所提方案的有效性。值得一提的是：InternImage-B仅需ImageNet-1K训练即可取得84.9%的精度(比其他CNN方案至少高出1.1%)；当引入大尺度参数(1B)、大训练数据(427M)后，InternImage-H取得了89.2% ；在COCO任务上，InternImage-H以2.18B参数量取得了65.4%mAP指标，比SwinV2-G高出2.3%，同时参数量少27% 。
本文方案
一种最简单的弥补卷积与MHSA差距的方式：将MHSA的长程依赖与自适应空域聚合引入到常规卷积。作为常规卷积的广义形式，DCNv2空域描述为如下形式：
其中，K表示采样点数，表示第k个采样点的投影权值，表示第k个采样点的调制因子(它通过Sigmoid进行归一化)，表示预定义的网格采样,表示第k个采样位置的偏移。从上述公式可以看到：
对于长程依赖而言，采样偏移足够灵活，可以对短/长程特征进行交互； 对于自适应聚合而言，采样偏移与调制因子均可学习且与输入x有关。
因此，DCNv2所具有的与MHSA类似优异属性驱动我们基于该算子研发大尺度CNN基础模型。
在已有的实践中，DCNv2往往作为常规卷积的扩展，加载常规卷积的预训练权值后进行微调以达成更优性能。这种使用方式不适用于需要从头开始训练的大尺度视觉基础模型。为解决上述问题，作者对DCNv2进行了如下扩展改进：
Sharing weights among convolutional neurons. 类似常规卷积，DCNv2的不同卷积单元具有独立的线性投影权值，其参数量与内存复杂度与采样点成线性关系，这无疑会大幅限制其在大尺度模型方面的高效性。针对于此，受启发于分离卷积，作者将原始的卷积权值t调整为depth-wise(对应位置感知调制因子)与point-wise（对应采样点间共享投影权值w）两部分。 Introducing multi-group mechanism. 多组/头设计源于组卷积，但在MHSA中得到广泛应用，可用于在不同位置从不同表达子空间学习更丰富的信息。受此启发，作者将空域聚合过程拆分为G组，每组具有独立的采样偏移、调制因子，促使不同组具有不同的空域聚合模式，进而产生更强的特征表达能力。 Normalizing modulation scalars along sampling points. DCNv2的调制因子通过Sigmoid进行归一化处理，尽管每个调制因子均在[0,1]范围内，但其和并不稳定，从0到K之间变化，这会导致不稳定的梯度。为消除该不稳定问题，作者将元素级的Sigmoid归一化调整为沿采样点的Softmax归一化。此时，调制因子的 综合为1，这使得整个训练过程更为稳定。
通过组合上述改进，DCNv2成功进化到了DCNv3，描述如下：
其中，G表示聚合组数量。对于第g组，表示位置不相关投影权值，表示第k个采样点的调制因子且沿维度K通过softmax归一化。总而言之，DCNv3作为DCN系列的扩展具有以下几个特性：
该算子弥补了常规卷积在长程依赖与自适应空域聚合方面的不足； 相比MHSA与形变注意力，该算子集成了CNN的归纳偏置； 相比MHSA与重参数大核，受益于稀疏采样，该算子在计算量与内存方面更为高效。
采用DCNv3作为核心算子会带来新的问题：如何构建可以充分利用该算子的模型呢？看上图。
Basic Block 在模块层面，不同于传统CNN常用的BottleNeck，作者采用了ViT的基本模块：加持了更鲜艳的成分(如LN、FFN、GELU)，见上图的基本模块示意图，即将ViT模块中的MHSA替换为了DCNv3。需要注意的是：这里采用的post-normalization设置，而非ViT常见的pre-normalization。
Stem & downsampling layers 为获得分层特征，作者采用卷积Stem与下采样层将特征下采样到不同尺度。Stem由两个卷积、两个N、一个GELU构成，卷积核尺寸为3，stride为2，第一个卷积的输出通道维第二个卷积输出通道的一半。下采样层由stride=2的卷积构成，同时后接LN层。
Stacking rules 为更清晰说明模块堆叠过程，作者首先列出了InternImage的超参：
：第i阶段的通道数； ：第i阶段DCNv3的组数； ：第i阶段基本模块的数量。
由于所提模块包含4个阶段，由12个超参构成，该搜索空间太大了以至于无法详尽的枚举以寻找最佳配置。为减少搜索空间，作者总结出以下4条规则：
此时，InternImage仅需4个超参即可进行定义。作者先选择了一个30M参数的模型作为起始模型，超参空间分别为：。起始模型的搜索空间仅为30（：我呢？），通过在ImageNet上训练并评估得到了最佳模型配置。
Scaling rules 基于上述最优起始模型，作者进一步探索了参数缩放规则。具体来说，作者考虑了两个缩放维度：深度与宽度并采用进行缩放。缩放规则定义如下：
其中，。通过实验，作者发现最佳缩放配置为。基于此，作者构建了不同尺寸的InternImage模型，相关参数详见下表。为进一步探索模型容量，作者还构建了具有1B参数量的InternImage-H。
本文实验
上表给出了不同方案在ImageNet上的性能对比，从中可以看到：
在相当参数量与计算消耗时，所提方案具有与其他SOTA ViT与CNN相当、甚至更优的性能； InternImage-T取得了83.5%的精度，比ConvNeXt-T高出1.4%，InternImage-S/B比第二方案高出至少0.4% ； 当采用ImageNet-22K与大尺度数据预训练后，InternImage-XL与InternImage-H的精度提升到了88.0%、89.2% ，优于已有CNN方案，与大尺度ViT的精度差异缩小到了1%。 这些结果表明：所提InternImage不仅在常规尺度参数下具有优异性能，同时还可以有效扩展到大尺度参数与数据。
上表给出了Mask R-CNN框架下不同方案的性能对比，可以看到：
在目标检测任务方面，在相当的参数量下，所提方案大幅超越了其他方案。比如，InternImage-T比Swin-T高出4.5mAP，比ConvNeXt-T高出3.0mAP。
在实例分割任务方面，InternImage-T取得了42.5 mask AP，比Swin-T高出3.2，比ConvNeXt-T高出2.4.
如上表所示，当采用更多参数、更先进的Cascade Mask R-CNN框架后，
在目标检测任务上，InternImage-XL取得了55.3mAP，比ConvNeXt-XL高出2.7mAP。 在实例分割任务上，InternImage-XL取得了48.0mask AP，比其他方案至少高出1.5 .
为进一步提升目标检测的性能上限，我们采用了更先进的配置，结果见上表，可以看到：
在COCOval2017与test-dev上，所提方案取得了新记录65.0 mAP与65.4mAP；
相比此前最佳方案FD-SwinV2-G，所提方案指标高出1.2mAP，且参数量少27% 。
上表给出了ADE20K分割任务上的性能对比，从中可以看到：
当采用uperNet框架时，所提方案在不同尺度下均优于其他方案；当采用Mask2Former框架+多尺度测试时，InternImage-H取得了62.9mIoU，比同期方案BEiT-3高0.1mIoU； InternImage-B取得了50.8mIoU，比ConvNeXt-B高出1.7mIoU，比RepLKNet-31B高出0.9mIoU； InternImage-H取得了60.3mIoU，比SwinV2-G高出0.4mIoU，同时参数量更少(1.2B vs 3.0B)。
在代码方面，作者尚未开源，不过相比DCNv2，DCNv3更多是体现在引入新机制，如调制因子生成方式、多组机制、规范化方式。可基于MMCV的扩展算子ModulatedDeformConv2dPack进行简单的说明，见下图。DCNv2中的调制因子与偏移通过conv_offset统计计算得到，而调制因子mask采用的是sigmoid激活。而DCNv3则采用depth-wise计算mask，采用point-wise计算offset，通过该操作可以一定程度减少模型参数量。至于sigmoid到softmax的迭代在实现上就更容易了。最后，说一点：DCNv2实际上已经有了多组(见deform_groups)的概念，应该不算是本文新引入的吧。
