arXiv: 2108.13341：https://arxiv.org/pdf/2108.13341.pdf
本文是华为诺亚&北大&悉尼大学在MLP方面的工作，针对MLP-Mixer存在的不灵活性与空间信息提取不够高效等问题，提出内区域重排与跨区域重排机制对MLP-Mixer进行改革。所提Hire-MLP在ImageNet数据集上取得了SOTA性能。比如Hire-MLP-L取得了83.4%的top1精度，超过了其他Transformer与MLP架构，同时具有更佳的精度-吞吐量均衡。
Abstract
本文提出一种简单且有效的分层重排(Hierarchical Rearrangement)MLP架构Hire-MLP。已有MLP架构(如MLP-Mixer)对于不同图像尺寸的输入不够灵活，对于捕获空间信息不够高效。
Hire-MLP通过引入分层重排聚合全局与局部空域信息对已有MLP架构进行了改革，值得一提的是：Hire-MLP对于下游任务非常友好。具体来说，内区域(inner-region)重排捕获局部信息；为促进跨区域信息通信并捕获全局上下文信息，我们还提出了跨区域(cross-region)重排，它沿空间方向对所有tokens进行训练移位。所提Hire-MLP基于通道混叠MLP与重排操作而构建，因此具有高灵活性与高推理速度。
实验结果表明：Hire-MLP在ImageNet-1K基准数据集上取得了SOTA性能。比如，Hire-MLP取得了83.4%的top1精度 ，超过了其他Transformer与MLP模型，具有更好地精度-吞吐量均衡。
Method
上图给出了本文所提Hire-MLP整体架构示意图，它通过堆叠多个Hire-MLP模块构成而成。类似MLP-Mixer，每个Hire-MLP包含两个子模块：Hire与Channel-MLP，分别用于进行空间信息与通道信息聚合。Hire-MLP可以描述如下：
相比MLP-Mixer，Hire-MLP的主要区别在于：采用Hire模块替代了MLP-Mixer中的token-mixing MLP模块。
Hierarchical Rearrangement Module
MLP-Mixer中的token-mixing MLP采用全连接层捕获跨位置信息，它采用全部token作为输入。由于全连接层的维度是固定的，因此MLP-Mixer无法处理变长序列，故下游迁移能力弱。此外，token-mixing操作仅捕获了厂区信息，而忽视了局部信息，而局部信息对于CV任务非常重要。
针对上述问题，我们提出了分层重排(Hierarchical Rearrangement, Hire)替换MLP-Mixer中的token-mixing MLP。每个Hire模块通过内区域重排聚合局部信息，通过跨区域重排聚合全局信息。所提Hire模块天然的可以处理变长序列。
Cross-Region Rearrangement 通过内区域重排，输出token仅包含了局部区域的信息聚合，感受野与区域尺寸有关，感受野相对有限。我们又设计了一个跨区域重排，它通过移位操作进行跨区域信息聚合。
上图给出了高方向跨区域重排示意图。它通过沿特定方向给定步长s循环移位token实现，此时局部覆盖的token会发生变化。为得到全能局感受野，跨区域重排会插入在内区域重排之前，见上面的Figure1。类似的，跨区域重排同样需要复原，见上图。宽方向的跨区域重排与复原见下图，不再赘述。
**Hire Module ** 考虑到输入特征同时包含高、宽维度，信息通讯演两个方向通过两个分支实现。受启发于ResNet、ViP，我们还引入了一个不带空域通信的分支。也就是说，输入特征首先被送入到三个分支分别处理，然后将三分支处理结果相加作为输出，可参见下图。
Overall Architecture
Experiments
上图给出了所提Hire-MLP与其他方案的性能对比，从中可以看到：
- Hire-MLP-Smalle取得了81.8%的精度，而计算量仅为4.2G Flops，优于其他MLP方案。相比AS-MLP、CycleMLP，所提Hire-MLP性能更佳，同时不需要复杂的移位操作或者全连接层变种操作。
- Hire-MLP-B与Hire-MLP-L分别取得了83.1%与83.4%的精度，而计算量分别为81.G与13.5G。
- 相比DeiT、Swin以及PVT，所提方案具有更快的推理速度；
- 相比RegNetY，所提方案具有更高的精度，同时具有相似的模型大小和复杂度。
- Happy语：相比AS-MLP，Hire-MLP好像并没有什么优势，性能相当，速度反而AS-MLP更快 。
上表对比了区域划分中区域尺寸的影响，从中可以看到：浅层需要更大的区域尺寸 ；但过大会导致性能下降。我们认为：Bottleneck结构中可能存在信息损失。
上表对比了跨区域重排中的步长s的影响，从中可以看到：不进行移位对性能会有影响，说明了移位的重要性 。
上表对比了不同padding方式的影响，从中可以看到：Circular Padding更适合于所提Hire模块 。
上表对比了Hire模块中不同成分的影响，从中可以看到：用于捕获局部信息的内区域重排最重要 ；跨区域重排次之。
上表比价了不同跨区域信息通讯的方案，可以看到：移位方式取得了比置换更优的性能，这说明：移位操作可以更好的保持相对位置信息。
吐槽时刻
首先，看上表。从Hire-MLP与AS-MLP的对比来看，Hire-MLP并未看到明显优势。精度基本相当，但AS-MLP的推理速度明显更快啊 ，这个论文并没有提到。原文是这样描述的：
When compared to recently proposed AS-MLP and CycleMLP, our Hire-MLP can obtain slightly better performances without any complicated shift oprations or variants of fully connected layer.
上图是AS-MLP的移位操作，再回过头来看看Hire-MLP的移位，可参考前面的图示。都是类似的移位操作，AS-MLP咋就变成了“complicated shift oprations”？ 不懂！
我们再来看一下ViP与Hire-MLP的差异，见上图。事实上，ViP中也有Hire-MLP中的内区域重拍类似的操作，称之为H-C Permute。但从这一点来看，Hire-MLP中的内区域重排与ViP并无本质区别 。但论文并未对两者的关联进行对比说明，全文只是提到了这样一句：
Inspired by the shortcut in ResNet and ViP, an extra branch withoutspatial communication is alse added ...
至于说指标对比，ViP中对应的模块只用了一个Linear，而Hire模块则用了两个Lienar，难说表中0.2-0.3%的性能提升有多少是来自额外的一个Linear。从ViP与Hire-MLP的对比来看，能看到的改进只有跨区域重排 这一块了。
除此之外，论文前面一直在强调MLP-Mixer架构无法向下游任务迁移，Hire-MLP适合向下游任务迁移，但实验部分并没有向下游任务迁移的实验。这个....
最后吐槽一下：华为的开源速度真的有点慢啊，7月份的CMT尚未开源，Hire-MLP又待何期？AI的方法每周都会出一堆，不开源很难让人follow。
以上仅为笔者学习Hire-MLP过程中的一点疑惑，不一定正确，仅供参考。
首发：AIWalke
作者：HappyAIWalker
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