视觉Mamba来了:速度提升2.8倍,内存能省87% 视觉Mamba来了:速度提升2.8倍,内存能省87%
admin
2024-01-19 14:39:07
0

机器之心报道

编辑:陈萍、泽南

Vision Mamba 不是个普通模型。

号称「全面包围 Transformer」的 Mamba,推出不到两个月就有了高性能的视觉版。

本周四,来自华中科技大学、地平线、智源人工智能研究院等机构的研究者提出了 Vision Mamba(Vim)。



论文地址:https://arxiv.org/pdf/2401.09417.pdf项目地址:https://github.com/hustvl/Vim论文标题:Vision Mamba: Efficient Visual Representation Learning with Bidirectional State Space Model

效果如何呢?在 ImageNet 分类任务、COCO 对象检测任务和 ADE20k 语义分割任务上,与 DeiT 等成熟的视觉 Transformers 相比,Vim 实现了更高的性能,同时还显著提高了计算和内存效率。例如,在对分辨率为 1248×1248 的图像进行批量推理提取特征时,Vim 比 DeiT 快 2.8 倍,并节省 86.8% 的 GPU 内存。结果表明,Vim 能够克服对高分辨率图像执行 Transformer 式理解时的计算和内存限制,并且具有成为视觉基础模型的下一代骨干的巨大潜力。



接下来我们看看论文内容。

Mamba 的提出带动了研究者对状态空间模型(state space model,SSM)兴趣的增加,不同于 Transformer 中自注意力机制的计算量会随着上下文长度的增加呈平方级增长,由于 SSM 擅长捕捉远程依赖关系,因而开始受到大家追捧。

在此期间,一些基于 SSM 的方法如线性状态空间层(LSSL)、结构化状态空间序列模型(S4)、对角状态空间(DSS)和 S4D 都被研究者提出来,用于处理各种序列数据,特别是在建模远程依赖关系方面。

Mamba 将时变参数纳入 SSM 中,并提出了一种硬件感知算法来实现高效的训练和推理。Mamba 卓越的扩展性能表明它在语言建模方面是 Transformer 有前途的替代品。

然而,到目前为止,研究者还尚未在视觉任务中探索出通用的基于纯 SSM 的骨干网络。

受 Mamba 在语言建模方面成功的激励,研究者开始设想能否将这种成功从语言转移到视觉,即用先进的 SSM 方法设计通用且高效的视觉主干。然而,由于 Mamba 特有的架构,需要解决两个挑战,即单向建模和缺乏位置感知。

为了应对这些问题,研究者提出了 Vision Mamba (Vim) 块,它结合了用于数据依赖的全局视觉上下文建模的双向 SSM 和用于位置感知视觉识别的位置嵌入。

与其他基于 SSM 的视觉任务模型相比,Vim 是一种基于纯 SSM 的方法,并以序列方式对图像进行建模。与基于 Transformer 的 DeiT 相比,Vim 在 ImageNet 分类上取得了优越的性能。此外,Vim 在 GPU 内存和高分辨率图像的推理时间方面更加高效。

方法介绍

Vision Mamba (Vim) 的目标是将先进的状态空间模型 (SSM),即 Mamba 引入到计算机视觉。

Vim 的概述如图 2 所示,标准的 Mamba 是为 1-D 序列设计的。为了处理视觉任务,首先需要将二维图像转换成展开的 2-D patch 。式中 (H, W) 为输入图像的大小,C 为通道数,P 为图像 patch 的大小。接下来,需要将 x_p 线性投影到大小为 D 的向量上,并添加位置嵌入得到如下公式:





Vim 块

原始的 Mamba 块是为一维序列设计的,不适合需要空间感知理解的视觉任务。Vim 块集成了用于视觉任务的双向序列建模,Vim 块如上图 2 所示。

Vim 块的操作算法如下所示。



架构细节

架构的超参数如下:

L:块数D:隐藏状态维度E:扩展状态维度N:SSM 维度

遵循 ViT 和 DeiT,该研究首先采用 16×16 内核大小的投影层来获得非重叠 patch 嵌入的一维序列。随后直接堆叠 L 个 Vim 块。默认情况下块数 L 设置为 24,SSM 维度 N 设置为 16。为了与 DeiT 系列模型大小保持一致,该研究将小( tiny)尺寸变体的隐藏状态维度 D 设置为 192,将扩展状态维度 E 设置为 384。对于小(small)尺寸变体,该研究将 D 设置为 384,将 E 设置为 768。

实验

该研究在 ImageNet-1K 数据集上对 Vim 进行了基准测试。

图像分类

表 1 将 Vim 与基于 ConvNet、基于 Transformer 和基于 SSM 的骨干网络进行了比较。与基于 ConvNet 的 ResNet 相比,Vim 表现出更优越的性能。例如,当参数大致相似时,Vim-Small 的 top-1 准确率达到 80.3,比 ResNet50 高 4.1 个百分点。与传统的基于自注意力的 ViT 相比,Vim 在参数数量和分类准确率方面都有相当大的优势。与高度优化的 ViT 变体(即 DeiT )相比,VimTiny 比 DeiT-Tiny 高 0.9 个点,Vim-Small 比 DeiT 高 0.5 个点。与基于 SSM 的 S4ND-ViTB 相比,Vim 以减少 3 倍的参数实现了类似的 top-1 准确率。



图 1 (b) 和 (c) 比较了小型 Vim 和 DeiT 的 FPS 和 GPU 内存。随着图像分辨率的提高,Vim 在速度和内存方面表现出更好的效率。具体来说,当图像大小为 512 时,Vim 实现了与 DeiT 相似的 FPS 和内存。当图像大小增长到 1248 时,Vim 比 DeiT 快 2.8 倍,并节省 86.8% 的 GPU 内存。Vim 在序列长度上的线性扩展的显著优势使其为高分辨率下游视觉应用和长序列多模态应用做好了准备。



语义分割

如表 2 所示,Vim 在不同尺度上始终优于 DeiT:Vim-Ti 比 DeiT-Ti 高 1.0 mIoU,Vim-S 比 DeiT-S 高 0.9 mIoU。与 ResNet-101 主干网络相比,Vim-S 以减少近 2 倍的参数实现了相同的分割性能。



为了进一步评估研究方法在下游任务上(即分割、检测和实例分割)的效率,本文将骨干网与常用的特征金字塔网络(FPN)模块结合起来,并对其 FPS 和 GPU 内存进行基准测试。

如图 3 和图 4 所示,尽管该研究在主干网上附加了一个 heavy FPN,但效率曲线与纯主干网(图 1)的比较结果相似。





目标检测和实例分割

表 3 使用 Cascade Mask R-CNN 框架对 Vim-Ti 和 DeiT-Ti 进行了比较。Vim-Ti 超过 DeiT-Ti 1.3 box AP 和 1.1 mask AP。



下图为可视化结果:本文方法可以捕获图像中非常大的物体,这是 DeiT-Ti 等无法做到的。



了解更多内容,请参考原论文。

相关内容

热门资讯

原创 4... 写在文章前的声明:在本文之前的说明:本文中所列的投资信息,只是一个对基金资产净值进行排行的客观描述,...
胜宏科技港股大涨49% 做完英... 记者 陈月芹 4月21日,全球AI算力板龙头胜宏科技(02476.HK)登陆港交所,上市首日股价大涨...
永赢基金:聚焦“科技新锐”,科... 数据来源:Wind,时间统计区间为2025/1/1-2026/4/21,指数过往表现不预示未来,不构...
五大阅读趋势显现!当当网发布2... 在第31个世界读书日即将来临之际及首个全民阅读活动周期间,当当网正式发布2026国民阅读洞察报告。 ...
业绩逐季回暖 老百姓大药房一季... 上证报中国证券网讯(记者 夏子航)4月22日晚,老百姓大药房发布2025年年报和2026年一季报。今...
中国20强城市大洗牌:苏州接近... 中国的城市经济竞争格局一直在变化,每年发布的GDP数据都会对城市经济实力进行重新排列。2025年榜又...
直击金宏气体股东会:预期年内氦... 《科创板日报》4月22日讯(记者 郭辉)金宏气体日前举行2025年度股东大会。会上该公司审议了公司年...
5月1日起,俄据悉将叫停哈萨克... 据行业消息人士透露,俄罗斯将于5月1日起停止经友谊管道转运哈萨克斯坦输往德国的石油,相关调整计划已送...
深化具身智能生态布局 京东携手... 4 月 22 日,京东与国内消费级人形机器人头部企业松延动力正式达成三年期战略合作。双方将围绕产品研...
原创 帮... 先问你一个问题,美伊停火今晚到期,按常理避险情绪该升温,黄金应该涨吧?结果恰恰相反——原油涨了,黄金...
300295、600889,将... 三六五网、南京化纤,将被*ST。 公司股票自4月23日开市起停牌一天,于4月24日开市起复牌并实施退...
能源大变天!外媒:羡慕中国的石... 这一次油价突破 110 美元的能源危机,着实魔幻。如果放在十年前,没人会相信中国能在这场风波中获利,...
黄金涨跌两难,现在还能上车吗? 中新网4月22日电(记者 左雨晴) 四月以来,美伊局势反复拉扯,美联储降息预期一变再变。黄金价格在4...
“我身体健康”,库克现身员工大... 当地时间4月21日,受苹果官宣CEO换届影响,公司股价盘中下探超2%,总市值失守4万亿美元关口,收盘...
库克留下一个悬念 工程师能否拯救创新节奏? 听筒Tech(ID:tingtongtech)原创 文 | 赵 森 ...
探索消费信贷与社交支付深度融合... 腾讯这一金融产品再添新功能,4月19日,北京商报记者注意到,微信分付灰度测试转账功能引发热议,在向微...
土耳其主要银行股指早盘下跌2% 每经AI快讯,4月20日,土耳其主要银行股指早盘下跌2%。 每日经济新闻
好用的OTA代运营源头厂家 在如今竞争激烈的酒旅行业中,OTA代运营服务成为了众多酒店、民宿提升竞争力的关键。但市场上的代运营厂...
成都五一出游全国热门第三 “五一”假期临近,同程旅行最新发布的《2026“五一”旅行趋势报告》显示,今年“五一”期间成都同时位...