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带寄存器(Registers)的 DINOv2

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该模型于 2023-09-28 在 HF papers 上发布,并于 2024-12-24 贡献至 Hugging Face Transformers。

带寄存器(Registers)的 DINOv2

FlashAttention SDPA

概述

带有 Registers 的 DINOv2 模型由 Timothée Darcet、Maxime Oquab、Julien Mairal 和 Piotr Bojanowski 在 Vision Transformers Need Registers 中提出。

Vision Transformer(ViT)是一种 Transformer 编码器模型(类似于 BERT),最初被提出用于在 ImageNet 上进行有监督图像分类。

接下来,人们找到了让 ViT 在无标签图像上出色完成自监督图像特征提取(即学习有意义的特征,也称为嵌入)的方法。相关论文示例包括 DINOv2 和 MAE。

DINOv2 的作者们注意到,ViT 的注意力图中存在伪影。这是由于模型将某些图像块用作“寄存器”所致。作者们提出了一种修复方法:只需添加一些新的 token(称为“寄存器” token),这些 token 仅在预训练阶段使用(之后即丢弃)。这样做会带来以下结果:

  • 无伪影
  • 可解释的注意力图
  • 并提升了性能。

该论文的摘要如下:

Transformer 最近已成为学习视觉表示的强大工具。在本文中,我们识别并刻画了监督式与自监督 ViT 网络特征图中的伪影。这些伪影对应于推理过程中出现的高范数 token,它们主要位于图像中信息量较低的背景区域,并被重新用于内部计算。我们提出了一种简单而有效的解决方案:向 Vision Transformer 的输入序列中提供额外的 token,以承担该角色。我们证明,该方案能够完全解决监督式与自监督模型中的这一问题,在密集视觉预测任务上为自监督视觉模型树立了新的最先进水平,使对象发现方法能够使用更大的模型,并且最重要的是,为下游视觉处理带来了更平滑的特征图和注意力图。

drawing Visualization of attention maps of various models trained with vs. without registers. Taken from the original paper.

提示:

  • 使用带 Registers 的 DINOv2 与不带 Registers 的 DINOv2 用法完全相同,只是性能会更好。

该模型由 nielsr 贡献。 原始代码可在此处找到。

Dinov2WithRegistersConfig

class transformers.Dinov2WithRegistersConfig

< >

( transformers_version: str | None = Nonearchitectures: list[str] | None = Noneoutput_hidden_states: bool | None = Falsereturn_dict: bool | None = Truedtype: str | torch.dtype | None = Nonechunk_size_feed_forward: int = 0is_encoder_decoder: bool = Falseid2label: dict[int, str] | dict[str, str] | None = Nonelabel2id: dict[str, int] | dict[str, str] | None = Noneproblem_type: Literal['regression', 'single_label_classification', 'multi_label_classification'] | None = Nonehidden_size: int = 768num_hidden_layers: int = 12num_attention_heads: int = 12mlp_ratio: int = 4hidden_act: str = 'gelu'hidden_dropout_prob: float | int = 0.0attention_probs_dropout_prob: float | int = 0.0initializer_range: float = 0.02layer_norm_eps: float = 1e-06image_size: int | list[int] | tuple[int, int] = 224patch_size: int | list[int] | tuple[int, int] = 16num_channels: int = 3qkv_bias: bool = Truelayerscale_value: float = 1.0drop_path_rate: float | int = 0.0use_swiglu_ffn: bool = Falsenum_register_tokens: int = 4_out_features: list[str] | None = None_out_indices: list[int] | None = Noneapply_layernorm: bool = Truereshape_hidden_states: bool = True )

参数

  • hidden_size (int,可选,默认为 768) — 隐藏表示的维度。
  • num_hidden_layers (int, 可选, 默认为 12) — Transformer 解码器中的隐藏层数量。
  • num_attention_heads (int,可选,默认为 12) — Transformer 解码器中每个注意力层的注意力头数量。
  • mlp_ratio (int,可选,默认为 4) — MLP 隐藏层维度与嵌入维度的比值。
  • hidden_act (str,可选,默认为 gelu) — 解码器中的非线性激活函数(函数或字符串)。例如,"gelu"、 "relu"、"silu" 等。
  • hidden_dropout_prob (Union[float, int],可选,默认为 0.0) — 嵌入层、编码器和池化层中所有全连接层的 dropout 概率。
  • attention_probs_dropout_prob (Union[float, int],可选,默认为 0.0) — 注意力概率的 dropout 比率。
  • initializer_range (float,可选,默认为 0.02) — 用于初始化所有权重矩阵的 truncated_normal_initializer 的标准差。
  • layer_norm_eps (float,可选,默认为 1e-06) — 层归一化层所使用的 epsilon 值。
  • image_size (Union[int, list[int], tuple[int, int]],可选,默认为 224) — 每张图片的尺寸(分辨率)。
  • patch_size (Union[int, list[int], tuple[int, int]],可选,默认为 16) — 每个 patch 的大小(分辨率)。
  • num_channels (int,可选,默认为 3) — 输入通道的数量。
  • qkv_bias (bool,可选,默认为 True) — 是否向查询、键和值添加偏置。
  • layerscale_value (float,可选,默认为 1.0) — 用于 layer scale 的初始值。
  • drop_path_rate (Union[float, int],可选,默认为 0.0) — 用于 patch fusion 的 drop path 比率。
  • use_swiglu_ffn (bool,可选,默认为 False) — 是否使用 SwiGLU 前馈神经网络。
  • num_register_tokens (int,可选,默认为 4) — 要使用的 register token 数量。
  • apply_layernorm (bool,可选,默认为 True) — 当模型用作 backbone 时,是否对特征图应用层归一化。
  • reshape_hidden_states (bool,可选,默认为 True) — 当模型用作骨干网络时,是否将特征图重塑为形状为 (batch_size, hidden_size, height, width) 的 4D 张量。如果为 False,则特征图将是形状为 (batch_size, seq_len, hidden_size) 的 3D 张量。

This is the configuration class to store the configuration of a Dinov2WithRegistersModel. It is used to instantiate a Dinov2 With Registers model according to the specified arguments, defining the model architecture. Instantiating a configuration with the defaults will yield a similar configuration to that of the facebook/dinov2-with-registers-base

配置对象继承自 PreTrainedConfig,可用于控制模型输出。有关更多信息,请参阅 PreTrainedConfig 的文档。

示例:

>>> from transformers import Dinov2WithRegistersConfig, Dinov2WithRegistersModel

>>> # Initializing a Dinov2WithRegisters base style configuration
>>> configuration = Dinov2WithRegistersConfig()

>>> # Initializing a model (with random weights) from the base style configuration
>>> model = Dinov2WithRegistersModel(configuration)

>>> # Accessing the model configuration
>>> configuration = model.config

Dinov2WithRegistersModel

class transformers.Dinov2WithRegistersModel

< >

( config: Dinov2WithRegistersConfig )

参数

  • config (Dinov2WithRegistersConfig) — 模型的配置类,包含模型的所有参数。使用配置文件进行初始化时,不会加载与模型关联的权重,仅加载配置。请查看 from_pretrained() 方法以加载模型权重。

输出原始隐藏状态、顶部未附加任何特定头部的裸 Dinov2 With Registers 模型。

该模型继承自 PreTrainedModel。请查阅父类文档,了解该库为所有模型实现的通用方法(例如下载或保存、调整输入嵌入大小、剪枝头等)。

该模型也是 PyTorch torch.nn.Module 的子类。 请将其作为常规的 PyTorch Module 使用,有关通用用法和行为的所有事项,请参阅 PyTorch 文档。

forward

< >

( pixel_values: typing.Optional[torch.Tensor] = Nonebool_masked_pos: typing.Optional[torch.Tensor] = Noneattention_mask: typing.Optional[torch.Tensor] = None**kwargs: *<class 'transformers.utils.generic.TransformersKwargs'> ) → BaseModelOutputWithPooling or tuple(torch.Tensor)

参数

  • pixel_values(形状为 (batch_size, num_channels, image_size, image_size) 的 torch.Tensor,可选) — 与输入图像对应的张量。可以使用 image_processor_class 获取像素值。有关详细信息,请参阅 image_processor_class.__call__(processor_class 使用 image_processor_class 来处理图像)。
  • bool_masked_pos(形状为 (batch_size, sequence_length) 的 torch.BoolTensor)— 布尔掩码位置。指示哪些 patch 被掩码(1),哪些未被掩码(0)。仅与预训练相关。
  • attention_mask (torch.Tensor 形状为 (batch_size, sequence_length), ,可选) — 用于避免对填充 token 索引执行注意力机制的掩码。掩码值取自 [0, 1]:
    • 1 表示未被屏蔽的 token,
    • 对于被掩码的 token,值为 0。

    什么是注意力掩码?

返回值

BaseModelOutputWithPooling 或 tuple(torch.Tensor)

一个 BaseModelOutputWithPooling 或 torch.Tensor 元组(如果传入了 return_dict=False 或 config.return_dict=False),其包含的元素取决于配置(Dinov2WithRegistersConfig)和输入。

Dinov2WithRegistersModel 的 forward 方法重写了 __call__ 特殊方法。

尽管前向传播的实现需要在此函数中定义,但之后应调用 Module 实例,而不是直接调用此函数,因为前者会负责执行预处理和后处理步骤,而后者则会静默地忽略这些步骤。

  • last_hidden_state(形状为 (batch_size, sequence_length, hidden_size) 的 torch.Tensor)— 模型最后一层输出的隐藏状态序列。

  • pooler_output (torch.Tensor,形状为 (batch_size, hidden_size)) — 序列中第一个 token(分类 token)的最后一层隐藏状态,经过用于辅助预训练任务的层进一步处理后得到。例如,对于 BERT 系列模型,这返回的是分类 token 经过线性层和 tanh 激活函数处理后的结果。线性层的权重在预训练期间通过下一句预测(分类)目标进行训练。

  • hidden_states (tuple(torch.Tensor),可选,当传入 output_hidden_states=True 或 config.output_hidden_states=True 时返回) — 一个 torch.Tensor 元组(如果模型具有嵌入层,则包含嵌入层的输出,以及每一层的输出),形状为 (batch_size, sequence_length, hidden_size)。

    模型在每一层输出处的隐藏状态,以及可选的初始嵌入输出。

  • attentions (tuple(torch.Tensor),可选,当传入 output_attentions=True 或 config.output_attentions=True 时返回) — 一个 torch.Tensor 元组(每层一个),形状为 (batch_size, num_heads, sequence_length, sequence_length)。

    注意力权重,即经过注意力 softmax 之后的权重,用于在自注意力头中计算加权平均值。

示例:

Dinov2WithRegistersForImageClassification

class transformers.Dinov2WithRegistersForImageClassification

< >

( config: Dinov2WithRegistersConfig )

参数

  • config (Dinov2WithRegistersConfig) — 模型的配置类,包含模型的所有参数。使用配置文件进行初始化时,不会加载与模型关联的权重,仅加载配置。请查看 from_pretrained() 方法以加载模型权重。

Dinov2WithRegisters 模型,在顶部添加了一个图像分类头(即在 [CLS] token 的最终隐藏状态之上添加了一个线性层),例如用于 ImageNet。

该模型继承自 PreTrainedModel。请查阅父类文档,了解该库为所有模型实现的通用方法(例如下载或保存、调整输入嵌入大小、剪枝头等)。

该模型也是 PyTorch torch.nn.Module 的子类。 请将其作为常规的 PyTorch Module 使用,有关通用用法和行为的所有事项,请参阅 PyTorch 文档。

forward

< >

( pixel_values: typing.Optional[torch.Tensor] = Nonelabels: typing.Optional[torch.Tensor] = Noneattention_mask: typing.Optional[torch.Tensor] = None**kwargs: *<class 'transformers.utils.generic.TransformersKwargs'> ) → ImageClassifierOutput or tuple(torch.Tensor)

参数

  • pixel_values(形状为 (batch_size, num_channels, image_size, image_size) 的 torch.Tensor,可选) — 与输入图像对应的张量。可以使用 image_processor_class 获取像素值。有关详细信息,请参阅 image_processor_class.__call__(processor_class 使用 image_processor_class 来处理图像)。
  • labels(形状为 (batch_size,) 的 torch.LongTensor,可选)— 用于计算图像分类/回归损失的标签。索引应在 [0, ..., config.num_labels - 1] 范围内。如果 config.num_labels == 1,则计算回归损失(均方损失);如果 config.num_labels > 1,则计算分类损失(交叉熵)。
  • attention_mask (torch.Tensor 形状为 (batch_size, sequence_length), ,可选) — 用于避免对填充 token 索引执行注意力机制的掩码。掩码值取自 [0, 1]:
    • 1 表示未被屏蔽的 token,
    • 对于被掩码的 token,值为 0。

    什么是注意力掩码?

返回值

ImageClassifierOutput 或 tuple(torch.Tensor)

一个 ImageClassifierOutput 或 torch.Tensor 元组(当传入 return_dict=False 或 config.return_dict=False 时),其包含的元素取决于配置(Dinov2WithRegistersConfig)和输入。

Dinov2WithRegistersForImageClassification 的 forward 方法重写了 __call__ 特殊方法。

尽管前向传播的实现需要在此函数中定义,但之后应调用 Module 实例,而不是直接调用此函数,因为前者会负责执行预处理和后处理步骤,而后者则会静默地忽略这些步骤。

  • loss (torch.Tensor,形状为 (1,),可选,当提供 labels 时返回) — 分类损失(如果 config.num_labels==1,则为回归损失)。

  • logits(形状为 (batch_size, config.num_labels) 的 torch.Tensor)— 分类(或当 config.num_labels==1 时为回归)得分(SoftMax 之前)。

  • hidden_states (tuple(torch.Tensor),可选,在传入 output_hidden_states=True 或 config.output_hidden_states=True 时返回) — 一个 torch.Tensor 元组(如果模型具有嵌入层,则包含嵌入层输出的一个张量,以及每个阶段输出的一个张量),形状为 (batch_size, sequence_length, hidden_size)。模型在每个阶段输出处的隐藏状态(也称为特征图)。

  • attentions (tuple(torch.Tensor),可选,当传入 output_attentions=True 或 config.output_attentions=True 时返回) — 一个 torch.Tensor 元组(每层一个),形状为 (batch_size, num_heads, patch_size, sequence_length)。

    注意力权重,即经过注意力 softmax 之后的权重,用于在自注意力头中计算加权平均值。

示例:

>>> from transformers import AutoImageProcessor, Dinov2WithRegistersForImageClassification
>>> import torch
>>> from datasets import load_dataset

>>> dataset = load_dataset("huggingface/cats-image")
>>> image = dataset["test"]["image"][0]

>>> image_processor = AutoImageProcessor.from_pretrained("facebook/dinov2-with-registers-base")
>>> model = Dinov2WithRegistersForImageClassification.from_pretrained("facebook/dinov2-with-registers-base")

>>> inputs = image_processor(image, return_tensors="pt")

>>> with torch.no_grad():
...     logits = model(**inputs).logits

>>> # model predicts one of the 1000 ImageNet classes
>>> predicted_label = logits.argmax(-1).item()
>>> print(model.config.id2label[predicted_label])
...
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