Vision GNN: An Image is Worth Graph of Nodes

本文主要是介绍Vision GNN: An Image is Worth Graph of Nodes，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

• 感受野：在卷积神经网络中,感受野(Receptive Field)是指特征图上的某个点能看到的输入图像的区域,即特征图上的点是由输入图像中感受野大小区域的计算得到的。
  感受野并非越大越好，反而可能因为过大而过于发散
• 梯度下降（Gradient Descent GD）：简单来说就是一种寻找目标函数最小化的方法，它利用梯度信息，通过不断迭代调整参数来寻找合适的目标值。
• 超参数：在机器学习的上下文中，超参数是在开始学习过程之前设置值的参数，而不是通过训练得到的参数数据。通常情况下，需要对超参数进行优化，给学习机选择一组最优超参数，以提高学习的性能和效果。

在机器学习的过程中，
超参= 在开始机器学习之前，就人为设置好的参数。
模型参数=通过训练得到的参数数据。
通常情况下，需要对超参数进行优化，给学习机选择一组最优超参数，以提高学习的性能和效果

• 归一化：数据的标准化（normalization）是将数据按比例缩放，使之落入一个小的特定区间。在某些比较和评价的指标处理中经常会用到，去除数据的单位限制，将其转化为无量纲的纯数值，便于不同单位或量级的指标能够进行比较和加权。其中最典型的就是数据的归一化处理，即将数据统一映射到[0,1]区间上。
  目的就是使得预处理的数据被限定在一定的范围内（比如[0,1]或者[-1,1]），从而消除奇异样本数据导致的不良影响。
• 骨干网络：在计算机视觉任务中，骨干网络（Backbone）是对图像进行特征提取的基础网络。它是计算机视觉下游任务（如分类、分割、检测等）的核心组成部分。
  一个设计良好的特征提取网络能够显著提升算法的性能表现。

前置（VIT）

• idea:
  1. 直接把图像分为固定大小的patches
  2. 通过线性变换得到patch embedding。类似于NLP的words和word embedding
  3. 由于transformer的输入就是a sequence of token embeddings，则把图像的patch embeddings送入transformer后就能够进行特征提取从而分类

研究背景

• 选题切入点
  • CNN和Transformer存在的问题
    CNN和Transformer认为图象是网格或者序列结构，不能灵活地捕捉不规则和复杂的物体。
    
  • GNN在CV中的研究现状
    • GNN只能用在有天然的图的特殊的视觉任务（如点云数据的分类和分割）
    • 对于计算机视觉中的一般应用（如图像分类），缺少一个通用的GNN骨干网络来处理图像
• 用graph的优点：
  • graph是一种广义的数据结构，网格和序列可以视为图的特例
  • 图比网格或序列更灵活地建模复杂对象，因为图像中的对象通常不是方形的，其形状是不规则的
  • 一个对象可以视为部分的组合(例如说一个人可以分为头，上半身，手臂，腿)，图结构可以构建这些部分之间的联系
  • GNN的先进研究可以转移到解决视觉问题上
    用图结构表示图像

方法

用图结构表示图像

图像预处理主要是将 2D 图像转化为一个图结构。图像首先被均匀切分成若干个图像块，每个图像块通过简单的映射转化为特征向量X={x₁,x₂,……，x_N}。这里每个图像块特征视作一个节点，也就是V={V₁,V₂,……，V_N} ，对于每个节点，找到它的 K 近邻 N(v_i)，然后在两者之间连接一条边，从而构建出一个完整的图结构:

图卷积

图卷积层通过聚集相邻节点的特征，可以在节点之间交换信息。具体而言，图卷积操作如下：

其中 Aggregate 聚合操作通过聚合相邻节点的特征来计算节点的表示，Update 更新操作用来更新聚合后的节点特征。在实际部署时，使用了 max-relative 图卷积：

增强节点多样性

直接堆叠图卷积构建视觉图网络的话，由于图像块存在相似性和图卷积的聚合机制，会出现节点过平滑的现象，也就是随着网络的加深，节点特征之间会越来越相似。为了缓解这个问题，ViG 引入前馈神经网络 FFN 模块以及更多线性变换来增强特征变换能力和特征多样性.

在图卷积之前和之后应用一个线性层，将节点特征投影到同一个域中，并增加特征的多样性。在图卷积后插入一个非线性激活函数，以避免多层退化为单层。升级后的模块称为 Grapher 模块：

为了进一步提高特征变换能力和缓解过度平滑现象，在每个节点上使用前馈网络（FFN）。FFN 模块是一个简单的多层感知器，具有两个完全连接的层：

通过 Grapher 模块和 FFN 模块的堆栈构成 ViG 块，ViG 块用作构建网络的基本构建单元。基于图像的图形表示和提出的 ViG 块，可以为视觉任务构建 ViG 网络

ViG 网络架构

通过堆叠 L 个 ViG block，构成作者的 ViG 网络结构。给出了 isotropic 式和金字塔式两种网络架构，如下表所示。

表 1：Isotropic ViG 网络结构参数。

表 2：Pyramid ViG 网络结构参数。

贡献&局限

• 创新点
  • 提出了一个用于视觉任务的通用GNN骨干网络，并设计了同向性结构和金字塔结构
  • 直接在图像上使用GNN会出现over-smoothing问题并导致性能变差，故提出了FC操作和FFN层来解决这个问题
• 局限性
  • 与VIT相同，VIG在少量的数据下表现得性能并不优秀，往往需要通过大量的数据做梯度下降才能取得比较好的效果
  • 从image到graph的过程中，本文采用KNN来取K（超参数）个邻居作为邻居结点；对于不同的图像，所需的K值不一定相同。

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