2024.6.16 机器学习周报

目录

引言

Abstract

文献阅读

1、题目

2、引言

3、创新点

4、匹配问题

5、SuperGlue架构

5.1、注意力图神经网络（Attentional Graph Neural Network）

5.2、最佳匹配层（Optimal matching layer）

5.3、损失

6、实验

6.1、单应性估算

 6.2、室内姿态估计

6.3、室外姿态估计

7、结论

深度学习 解读SAM(Segment Anything Model)

1、SAM Task

2、SAM Model

2.1、Patch Embedding

2.2、Positiona Embedding 

2.3、Transformer Encoder

总结

引言

本周阅读了一篇关于SuperGlue的文献，SuperGlue是一种神经网络，通过找到对应关系并拒绝不匹配的点，将两组局部特征进行匹配。它使用可微的最优传输问题来估计分配，成本由图神经网络预测。SuperGlue通过端到端训练学习几何变换的先验知识和三维世界的规律。在具有挑战性的真实环境中，它优于其他学习方法，并在姿态估计方面取得了最先进的结果。

Abstract

This week I read a literature on SuperGlue, which is a neural network that matches two sets of local features by finding corresponding relationships and rejecting mismatched points. It uses differentiable optimal transmission problems to estimate allocation, and costs are predicted by graph neural networks. SuperGlue learns prior knowledge of geometric transformations and the laws of the three-dimensional world through end-to-end training. In challenging real-world environments, it outperforms other learning methods and achieves state-of-the-art results in attitude estimation. And I also revisited and reviewed the transformer, as well as learned its code by hand, which deepened my impression.

文献阅读

1、题目

SuperGlue: Learning Feature Matching with Graph Neural Networks

2、引言

本文介绍了SuperGlue，这是一种神经网络，它通过联合寻找对应关系并拒绝不匹配的点来匹配两组局部特征。通过求解一个可微的最优运输问题来估计运输成本，其成本由图神经网络来预测。我们引入了一个灵活的上下文聚合机制的基础上的注意力，使SuperGlue的理由有关的基础3D场景和功能分配联合。与传统的手工设计的几何学相比，我们的技术通过图像对的端到端训练来学习几何变换和3D世界的先验知识。SuperGlue优于其他学习方法，并在具有挑战性的真实室内和室外环境中的姿态估计任务上取得了最先进的结果。所提出的方法在现代GPU上实时执行匹配，并且可以容易地集成到现代SfM或SLAM系统中。

3、创新点

• SuperGlue架构利用了自注意力和交叉注意力，有效处理局部特征匹配问题。
• SuperGlue通过解决最优传输问题，优雅地处理了局部分配和遮挡点。
• SuperGlue实现了在极端宽基线室内和室外图像对上高度准确的相对姿态估计。

4、匹配问题

• 本地特征匹配：通常，这是通过以下三个步骤来完成的：

1. 提取图像特征；
2. 使用最近邻居搜索匹配这些特征；
3.  使用几何变换（例如RANSAC）对它们进行过滤。传统的方法通常基于SIFT，并使用邻域共识等技术。

• 深度学习与匹配：一些工作尝试直接从深度学习模型中获取匹配，这些模型可能使用卷积神经网络从数据中获取特征。一些方法显式地考虑更广泛的上下文，或通过学习区分内外点（inliers and outliers）来过滤匹配。其他工作着重于深度学习来进行特征匹配，这些工作可能基于3D点云或视觉信息。PostRANSAC等方法可以从头到尾地执行内容聚合、匹配和过滤。
• 图匹配问题：这些问题通常被描述为二次分配问题，这些问题是NP-hard，需要复杂且昂贵的解算器。早期的方法依赖于手工制作的代价函数，而现代的方法则更加简化，例如使用Sinkhorn算法来近似解决问题。
• 深度学习与置换：深度学习可以被用于求解排列等式或不变的问题。这可以通过全局池化、区间规范化或在特征空间中的局部邻域来实现。此外，深度学习还可以进行全局和数据依赖的数据集聚合。

5、SuperGlue架构

• Motivation：在图像匹配问题中，需要注意一些规律性。例如，某些关键点在静态场景中更容易匹配，而在动态场景中可能更难匹配。

• Formulation：考虑两个图像A和B，每个图像都有一组关键点位置和关联的视觉描述符。SuperGlue旨在学习从数据中直接获取的相关先验知识

SuperGlue由两个主要组件组成：注意力图神经网络（Attentional Graph Neural Network）和最佳匹配层（Optimal matching layer）。第一个组件使用关键点编码器将关键点位置p及其视觉描述符d映射到单个向量中，然后使用交替的自我和交叉注意层（重复L次）来创建更强大的表示f。最佳匹配层创建一个M × N得分矩阵，用垃圾箱对其进行扩充，然后使用Sinkhorn算法（T次迭代）找到最佳部分分配。

5.1、注意力图神经网络（Attentional Graph Neural Network）

当被要求匹配一个给定的模糊关键点时，人类会来回查看两张图像：他们筛选试探性匹配的关键点，检查每个关键点，并寻找上下文线索，以帮助从其他自相似性中消除真正的匹配。这暗示了一个迭代过程，可以将注意力集中在特定的位置。

关键点编码器：将关键点位置嵌入到具有多层感知器（MLP）的高维向量中：

这个编码器使图形网络能够在以后联合推理外观和位置，特别是当与注意力结合时，并且是语言处理中流行的“位置编码器”的一个实例。

多重图神经网络：图有两种类型的无向边-它是一个多重图。图像内边缘或自边缘将关键点i连接到同一图像内的所有其他关键点。图像间边缘或交叉边缘将关键点i连接到其他图像中的所有关键点。我们使用以下消息传递公式来沿着沿着两种类型的边传播信息：

由此产生的多路复用图神经网络从每个节点的高维状态开始，并通过同时聚合所有节点的所有给定边的消息来在每一层计算更新的表示。令（xA i）为图像A中位于层xB处的元素i的中间表示。消息→i是来自所有关键点{j ：（i，j）∈ }的聚合的结果。其中[·||·]表示连接。

如上图是可视化自我注意力和交叉注意力。注意力聚合在关键点之间构建动态图。权重αij显示为射线。自我注意力（顶部）可以出现在同一图像中的任何地方，例如独特的位置，因此不限于附近的位置。交叉关注（底部）关注其他图像中的位置，例如具有相似外观的潜在匹配。 

注意力聚合：注意力机制执行聚合并计算消息。消息计算为以下值的加权平均值：

5.2、最佳匹配层（Optimal matching layer）

SuperGlue的第二个主要模块是最优匹配层，它产生一个部分分配矩阵。如在标准图匹配公式中

分配P可以通过计算所有可能匹配的得分矩阵S ∈ 并在等式中的约束下最大化总得分   来获得。这相当于解决一个线性分配问题。

分数预测：为所有M×N个潜在匹配构建单独的表示将是禁止的。相反，我们将成对得分表示为匹配描述符的相似性：

遮挡和可见性：为了让网络抑制一些关键点，我们用垃圾箱来增加每个集合，以便将不匹配的关键点显式分配给它。 

虽然A中的关键点将被分配给B中的单个关键点或垃圾箱，但每个垃圾箱具有与另一组中的关键点一样多的匹配：

5.3、损失

通过设计，图神经网络和最佳匹配层都是可区分的，这使得从匹配到视觉描述符的反向传播成为可能。SuperGlue以监督的方式从地面真实匹配M = {（i，j）}   A × B进行训练。这些是从地面实况相对变换估计的，使用姿势和深度图或单应性。这也允许将一些关键点标记为不匹配，如果它们在其附近没有任何重投影。给定这些标签，最小化分配的负对数似然：

6、实验

6.1、单应性估算

使用真实的图像和具有鲁棒性（RANSAC）和非鲁棒性（DLT）估计器的合成单应性进行大规模单应性估计实验。

通过对随机单应性进行采样并将随机光度失真应用于真实的图像来生成图像对，底层图像来自牛津和巴黎数据集中的1M干扰项图像集，分为训练集、验证集和测试集。

SuperGlue恢复几乎所有可能的匹配，同时抑制大多数离群值。由于SuperGlue对应关系是高质量的，因此直接线性变换（DLT），一种基于最小二乘的解决方案，没有鲁棒性机制，优于RANSAC。

 6.2、室内姿态估计

室内图像匹配由于缺乏纹理、自相似性丰富、场景三维几何形状复杂、视点变化大等特点而具有很大的挑战性。

数据集使用ScanNet，由具有地面真实姿势和深度图像的单目序列组成，以及对应于不同场景的定义良好的训练，验证和测试分割。

上表报告了姿势误差的AUC、匹配分数（MS）和精度（P），全部以百分比%表示。SuperGlue在应用于SIFT和SuperPoint时优于所有手工制作和学习的匹配器。 

SuperGlue使用SIFT或SuperPoint局部特征，并持续大幅提高OANet（一种最先进的离群值拒绝神经网络）的姿态精度。

6.3、室外姿态估计

由于室外图像序列呈现出它们自己的一组挑战（例如，照明变化和遮挡），训练和评估SuperGlue在户外环境中的姿态估计，使用与室内姿态估计任务中相同的评估指标和基线方法。

使用PhotoTourism数据集进行评估，PhotoTourism测试集中的场景将从训练集中移除。与室内情况类似，选择具有挑战性的图像对进行训练和评估，使用从SfM共视性计算的重叠分数。

由上表可知，使用SuperGlue匹配SuperPoint和SIFT特征，与手工制作或其他学习方法相比，姿势准确度（AUC）、精度（P）和匹配分数（MS）显著更高

SuperGlue的消融中，虽然最佳匹配层单独改进了基线最近邻匹配器，但图神经网络解释了SuperGlue带来的大部分收益。交叉注意和位置编码对于强粘合都是至关重要的，更深的网络进一步提高了精度。

7、结论

本文展示了基于注意力的图神经网络用于局部特征匹配的能力。SuperGlue的架构使用了两种注意力：（i）自我注意力，它增强了局部描述符的接受域;（ii）交叉注意力，它实现了跨图像通信，并受到人类在匹配图像时来回观看的方式的启发。本文的方法优雅地处理部分分配和闭塞点，通过解决最优运输问题。本文实验表明，SuperGlue实现了显着的改进，现有的方法，使极宽基线的室内和室外图像对高度准确的相对姿态估计。此外，SuperGlue实时运行，并与经典和学习功能配合良好。总之，本文的可学习中端用一个强大的神经模型取代了手工制作的算法，该模型在一个统一的架构中同时执行上下文聚合、匹配和过滤。

深度学习 解读SAM(Segment Anything Model)

SAM(Segment Anything Model)，顾名思义，即为分割一切！该模型由Facebook的Meta AI实验室，能够根据文本指令或图像识别，实现对任意物体的识别与分割。

1、SAM Task

SAM借鉴了NLP领域的Prompt策略，通过给图像分割任务提供Prompt提示来完成任意目标的快速分割。Prompt类型可以是「前景/背景点集、粗略的框或遮罩、任意形式的文本或者任何指示图像中需要进行分割」的信息。如下图(a)所示，模型的输入是原始的图像和一些prompt，目标是输出"valid"的分割，所谓valid，就是当prompt的指向是模糊时，模型能够输出至少其中一个mask。

这样，可以是的SAM能够适配各种下游任务。例如，给定一个猫的边界框，SAM能够输出其mask，从而和实例分割任务搭配起来。

2、SAM Model

如下图所示，SAM模型包含三个核心组件，Image Encoder、Prompt Encoder和Mask Decoder。图像经过Image Encoder编码，Prompt提示经过Prompt Encoder编码，两部分Embedding再经过一个轻量化的Mask Decoder得到融合后的特征。其中，Encoder部分使用的是已有模型，Decoder部分使用Transformer。

Image Encoder

Image Encoder的作用是把图像映射到特征空间，整体过程如下图所示。

本质上这个Encoder可以是任何网络结构，在这里使用的是微调的Detectron的ViT，当然它也可以被改成传统的卷积结构，非常合理。 

2.1、Patch Embedding

输入图像通过一个卷积base，将图像划分为16x16的patches，步长也为16，这样feature map的尺寸就缩小了16倍，同时channel从3映射到768。Patch Embedding示意图如下所示。

图像大小决定了patch的数量。 

'''
将输入的图像转换为序列化的特征向量
'''
class PatchEmbed(nn.Module):
    def __init__(
        self,
        # 卷积核大小
        # 这里是 (16, 16)，意味着图像将被划分为16x16的patches
        kernel_size: Tuple[int, int] = (16, 16),
        # 卷积的步长，与kernel_size相同，即(16, 16)，
        # 意味着每一步移动16个像素，这样图像的尺寸就会减少到原来的1/16
        stride: Tuple[int, int] = (16, 16),
        # 控制边缘填充，这里设置为 (0, 0)，意味着没有额外的填充
        padding: Tuple[int, int] = (0, 0),
        # 输入图像的通道数，通常为3（RGB图像）
        in_chans: int = 3,
        # 输出的特征维度，也就是每个patch被编码为的向量的长度，这里设置为768
        embed_dim: int = 768,
    ) -> None:
        '''
        初始化这个子类实例的属性
        '''
        # PatchEmbed的子类，继承自nn.Module，用于构建神经网络模块
        super().__init__()
        self.proj = nn.Conv2d(
            in_chans, embed_dim, kernel_size=kernel_size, stride=stride, padding=padding
        )
    '''前向传播：
       接收输入张量 x，形状 (B, C, H, W)，其中，
       - B表示批次大小
       - C 是输入通道数
       - H 和 W 是图像的高度和宽度
    '''
    def forward(self, x: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
        # 卷积，将输入的通道数从 in_chans 转换为 embed_dim
        x = self.proj(x)
        # 将张量的维度顺序从 (B, C, H, W) 调整为 (B, H, W, C)
        x = x.permute(0, 2, 3, 1)
        return x

 Patch Embedding过程在Vision Transformer结构图中对应下图所示。

2.2、Positiona Embedding 

经过Patch Embedding后输出tokens需要加入位置编码，以保留图像的空间信息。位置编码可以理解为一张map，map的行数与输入序列个数相同，每一行代表一个向量，向量的维度和输入序列tokens的维度相同，位置编码的操作是sum，所以维度依旧保持不变。

图像尺寸是1024，因此patch的数量是1024/16=64。

# 在ImageEncoderViT的__init__定义
if use_abs_pos:
    # 使用预训练图像大小初始化绝对位置嵌入
    self.pos_embed = nn.Parameter(
        torch.zeros(1, img_size // patch_size, img_size // patch_size, embed_dim)
    )
# 在ImageEncoderViT的forward添加位置编码
if self.pos_embed is not None:
    x = x + self.pos_embed

Positiona Embedding过程在结构图中对应的部分：

2.3、Transformer Encoder

feature map通过16个Transformer Block，其中12个Block使用了基于Window Partition（就是把特征图分成14*14的windows做局部的Attention）的注意力机制，以处理局部信息。另外4个Block是全局注意力模块，它们穿插在Window Partition模块之间，以捕捉图像的全局上下文。

# 在ImageEncoderViT的__init__定义
# -----Transformer Encoder-----
# 初始化一个ModuleList，用于存储Block实例
self.blocks = nn.ModuleList()
# 循环创建Block，depth是Transformer Encoder层数
for i in range(depth):
    # 创建单个Block
    block = Block(
        # 输入的通道数，即每个patch编码后的向量维度
        dim=embed_dim,
        # 自注意力机制中的注意力头数
        num_heads=num_heads,
        # MLP层的通道数相对于输入通道数的比例
        mlp_ratio=mlp_ratio,
        # 是否在QKV全连接层中使用偏置
        qkv_bias=qkv_bias,
        # 归一化层
        norm_layer=norm_layer,
        # 激活函数
        act_layer=act_layer,
        # 是否使用相对位置编码
        use_rel_pos=use_rel_pos,
        # 相对位置编码的初始化设置
        rel_pos_zero_init=rel_pos_zero_init,
        # 如果当前Block不是全局注意力层，则使用窗口大小，否则使用0
        window_size=window_size if i not in global_attn_indexes else 0,
        # 输入特征的尺寸，基于原始图像大小和patch大小计算得出
        input_size=(img_size // patch_size, img_size // patch_size),
    )
    # 将创建的Block对象添加到self.blocks列表中
    self.blocks.append(block)
# -----Transformer Encoder-----

Transformer Encoder过程在结构图中对应的部分：

Encoder Block

如上图右所示，Encoder Block从低到高主要由LayerNorm 、Multi-Head Attention和MLP构成。

class Block(nn.Module):
    def __init__(
        self,
        dim: int,                           # 输入通道数
        num_heads: int,                     # attention中head的个数
        mlp_ratio: float = 4.0,             # MLP层的通道数相对于输入通道数的比例。
        qkv_bias: bool = True,              # 如果为True，QKV全连接层包含偏置。
        norm_layer: Type[nn.Module] = nn.LayerNorm,     # 归一化层
        act_layer: Type[nn.Module] = nn.GELU,           # 激活层
        use_rel_pos: bool = False,                      # 是否使用相对位置编码
        rel_pos_zero_init: bool = True,                 # 相对位置编码的初始化设置
        window_size: int = 0,                           # 注意力层的窗口大小
        input_size: Optional[Tuple[int, int]] = None,   # 输入特征的尺寸
    ) -> None:
        super().__init__()
        self.norm1 = norm_layer(dim)         # 第一个归一化层，用于注意力层
        self.attn = Attention(               # Multi-Head Attention
            dim,
            num_heads=num_heads,
            qkv_bias=qkv_bias,
            use_rel_pos=use_rel_pos,
            rel_pos_zero_init=rel_pos_zero_init,
            input_size=input_size if window_size == 0 else (window_size, window_size),
        )
        self.norm2 = norm_layer(dim)      #第二个归一化层，用于MLP之前
        # MLP
        self.mlp = MLPBlock(embedding_dim=dim, mlp_dim=int(dim * mlp_ratio), act=act_layer)
        self.window_size = window_size
    # 前向传播
    def forward(self, x: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
        # 保存输入张量的副本
        shortcut = x
        # 对输入张量应用第一个归一化层
        x = self.norm1(x)
        # Window partition 对X进行padding
        if self.window_size > 0:
            H, W = x.shape[1], x.shape[2]
            x, pad_hw = window_partition(x, self.window_size)
        # Multi-Head Attention
        x = self.attn(x)
        # 如果 window_size > 0，使用window_unpartition去除窗口分区的padding，恢复原始尺寸
        if self.window_size > 0:
            x = window_unpartition(x, self.window_size, pad_hw, (H, W))
        # 将注意力层的输出与输入张量相加，实现残差连接
        x = shortcut + x
        # 对经过第二个归一化层的张量应用MLP层，再次使用残差连接
        x = x + self.mlp(self.norm2(x))
        # 返回最终的张量 x
        return x

 Partition操作

在非全局注意力的Block中，为了适应14x14的窗口大小，输入特征图需要进行补边（padding）和拆分操作。具体流程如下：

1. 输入特征图：输入特征图的初始尺寸为 1x64x64x768。

2. 确定最小可整除尺寸：窗口大小为14*14，要找到能够被14整除的最小特征图尺寸。对于宽度和高度，我们需要找到大于等于64且能被14整除的最小数。这两个数分别是70（64+6）和70（64+6），所以最小可整除特征图的尺寸是 1x70x70x768。

3. padding：为了将特征图尺寸从 64x64 扩展到 70x70，我们需要在右下角填充 6x6 的区域，因为70-64=6。这种padding方式确保了窗口可以在特征图的边缘正确地划分。

4. 拆分特征图：将padding后的特征图1x70x70x768按照窗口大小14x14进行拆分。因为70/14=5，所以特征图可以被拆分为 5x5个14x14的窗口，总共5x5=25个窗口。每个窗口的尺寸为14x14x768。

如下图所示

# 将输入张量x分割成指定大小的窗口
def window_partition(x: torch.Tensor, window_size: int) -> Tuple[torch.Tensor, Tuple[int, int]]:
    # 获取输入张量形状
    # B表示批次大小，H和W表示高和宽，C表示通道数
    B, H, W, C = x.shape
    # 计算填充高度和宽度 pad_h 和 pad_w，以使得输入尺寸能被window_size整除
    # 避免在分割时产生非完整的窗口
    pad_h = (window_size - H % window_size) % window_size
    pad_w = (window_size - W % window_size) % window_size
    # 如果需要填充，使用F.pad函数在宽度和高度方向上进行填充
    if pad_h > 0 or pad_w > 0:
        x = F.pad(x, (0, 0, 0, pad_w, 0, pad_h))
    # 更新填充后张量的高度和宽度 Hp 和 Wp
    Hp, Wp = H + pad_h, W + pad_w
    # 张量重塑为：B,Hp/S,S,Wp/S,S,C，这样可以将输入张量分割成多个窗口
    x = x.view(B, Hp // window_size, window_size, Wp // window_size, window_size, C)
    # 调整张量的形状，使其由B,Hp/S,Wp/S,S,S,C-->B*Hp*Wp/(S*S),S,S,C
    # 这样每个窗口都在张量的连续部分
    windows = x.permute(0, 1, 3, 2, 4, 5).contiguous().view(-1, window_size, window_size, C)
    # 返回一个包含所有窗口的张量和原始张量的填充后尺寸 (Hp, Wp)
    return windows, (Hp, Wp)

 Unpartition操作

在非全局注意力的Block中，将attention层输出的特征图1x70x70x768转化为1x64x64x768的特征图，实际上是通过切片操作x = x[:1, :64, :64, :]，从1x70x70x768的特征图中取出左上角的1x64x64x768部分。

# 用于将window_partition函数分割的窗口重新组合回原始尺寸的张量
def window_unpartition(
    # 获取输入张量 windows 的形状，以及窗口大小 window_size
    windows: torch.Tensor, window_size: int, pad_hw: Tuple[int, int], hw: Tuple[int, int]
) -> torch.Tensor:
    # 原始尺寸的填充高度和宽度
    Hp, Wp = pad_hw
    # 原始尺寸的无填充高度和宽度
    H, W = hw
    # 从窗口张量的总大小中计算出原始批量大小 B
    B = windows.shape[0] // (Hp * Wp // window_size // window_size)
    # 重塑窗口张量：B*Hp*Wp/(S*S),S,S,C-->B,Hp/S,Wp/S,S,S,C
    x = windows.view(B, Hp // window_size, Wp // window_size, window_size, window_size, -1)
    # 再次重塑张量：B,Hp/S,Wp/S,S,S,C-->B,Hp,Wp,C
    x = x.permute(0, 1, 3, 2, 4, 5).contiguous().view(B, Hp, Wp, -1)
    # 如果原始尺寸小于填充后的尺寸
    if Hp > H or Wp > W:
        # 通过切片 x[:, :H, :W, :] 去除填充部分，只保留原始大小的区域
        x = x[:, :H, :W, :].contiguous()
    # B,H,W,C
    # 返回合并后的张量，其形状为 (B,H,W,C)，即原始的批量大小、高度、宽度和通道数
    return x

Encoder Block过程如下图所示：

window_partition将输入特征的尺寸从(H, W)调整为(S, S)的窗口，其中S是窗口大小。这种调整是为了在多头注意力（Multi-Head Attention）中将相对位置嵌入添加到注意力图(attn)。然而，并非所有Transformer Block都需要在注意力图中嵌入相对位置信息。 window_unpartition 函数的作用是将经过注意力计算的窗口特征重新组合回原始尺寸(S×S–>H×W)。 Hp和Wp是S的整数倍。 

Multi-Head Attention

先来看Attention，结构如下图所示。

Attention中q、k和v的作用：

代码实现如下：

class Attention(nn.Module):
    """Multi-head Attention block with relative position embeddings."""
    def __init__(
        self,
        dim: int,               # 输入通道数
        num_heads: int = 8,     # head数目
        qkv_bias: bool = True,  # 是否在QKV线性变换中使用偏置项，默认为True
        use_rel_pos: bool = False, #是否使用相对位置编码，默认为False
        rel_pos_zero_init: bool = True, #如果使用相对位置编码，是否以零初始化，默认为True
        input_size: Optional[Tuple[int, int]] = None,       # 可选参数，用于指定相对位置编码的尺寸，只有在使用相对位置编码时才需要
    ) -> None:
        super().__init__()
        self.num_heads = num_heads #输入head数目
        head_dim = dim // num_heads #每个head维度
        self.scale = head_dim**-0.5 #用于缩放注意力得分的因子，以避免数值溢出，取值为head_dim的平方根的倒数
        #一个全连接层（nn.Linear），将输入映射到Q、K、V的组合
        self.qkv = nn.Linear(dim, dim * 3, bias=qkv_bias)
        #  一个全连接层，用于将注意力机制的输出投影回原始维度
        self.proj = nn.Linear(dim, dim)
        self.use_rel_pos = use_rel_pos
        if self.use_rel_pos:        # 使用相对位置编码
            assert (
                input_size is not None
            ), "Input size must be provided if using relative positional encoding."
            # 初始化水平方向(rel_pos_h)和垂直方向(rel_pos_w)的相对位置嵌入
            # 2S-1,Epos
            # 输入尺寸为(H, W)，则水平方向的位置嵌入长度为2*H-1，垂直方向的位置嵌入长度为2*W-1
            # 每个位置嵌入的维度为head_dim
            # 这些位置嵌入以模型参数的形式定义(nn.Parameter)，意味着它们会在训练过程中被学习和更新
            self.rel_pos_h = nn.Parameter(torch.zeros(2 * input_size[0] - 1, head_dim))
            self.rel_pos_w = nn.Parameter(torch.zeros(2 * input_size[1] - 1, head_dim))

    def forward(self, x: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
        # 输入张量x的形状为(B, H, W, C)，其中B是批次大小，H和W是高度和宽度，C是通道数（即dim）
        B, H, W, _ = x.shape
        # 使用qkv层将x转换为Q、K、V的组合，然后通过重塑和重新排列来准备多头注意力计算
        # qkv with shape (3, B, nHead, H * W, C)
        qkv = self.qkv(x).reshape(B, H * W, 3, self.num_heads, -1).permute(2, 0, 3, 1, 4)
        # q, k, v with shape (B * nHead, H * W, C)
        q, k, v = qkv.reshape(3, B * self.num_heads, H * W, -1).unbind(0)
        # attn with shape (B * nHead, H * W,  H * W)
        # 计算注意力分数
        # q * self.scale: q是查询向量（query vectors），形状为(B * nHead, H * W, C)，其中B是批次大小，nHead是注意力头的数量，H * W是序列的长度，C是每个位置的特征维度
        # self.scale是用于缩放注意力分数的因子，通常取head_dim的平方根的倒数，以防止数值过大
        # 乘以self.scale是为了稳定计算并防止梯度消失
        # k.transpose(-2, -1): k是键向量（key vectors），形状与q相同。transpose(-2, -1)是对k进行转置操作，即将最后一个和倒数第二个维度互换，目的是让q和k在计算点积时的维度匹配。转置后的k形状变为(B * nHead, C, H * W)
        # 将q和转置后的k进行矩阵乘法。计算每个查询位置q与所有键位置k的点积，生成一个形状为(B * nHead, H * W, H * W)的注意力分数矩阵attn。每个位置i和j的注意力分数表示q_i与k_j的相似度
        attn = (q * self.scale) @ k.transpose(-2, -1)
        # 如果启用了相对位置编码
        if self.use_rel_pos:
            # (H, W)代表输入序列的尺寸，这里假设H和W是相等的(S×S)，即输入是一个正方形网格（例如，图像的像素网格）
            # attn: 上述计算得到的注意力分数矩阵，形状为(B * nHead, H * W, H * W)
            # q: 查询向量，形状为(B * nHead, H * W, C)
            # self.rel_pos_h和self.rel_pos_w: 分别表示水平和垂直方向上的相对位置嵌入，形状分别为(2 * S - 1, head_dim)
            # (H, W): 输入序列的尺寸，用于指导相对位置嵌入的计算
            attn = add_decomposed_rel_pos(attn, q, self.rel_pos_h, self.rel_pos_w, (H, W), (H, W))
        # 生成的注意力分数矩阵attn随后会经过Softmax函数，将每个位置的分数归一化到[0, 1]区间，形成一个概率分布
        attn = attn.softmax(dim=-1)
        # 加权求和: 
        # 使用attn @ v计算加权和，其中@表示矩阵乘法,v是值向量（value vectors），形状为(B * nHead, H * W, C)
        # 注意力权重矩阵attn（形状为(B * nHead, H * W, H * W)）与v按元素相乘后，再进行矩阵乘法，得到加权后的值向量，形状为(B * nHead, H * W, C)
        # 使用.view()将加权后的值向量重塑为(B, self.num_heads, H, W, -1)，然后使用.permute(0, 2, 3, 1, 4)进行重排，将self.num_heads移动到第四个维度。最后，使用.reshape(B, H, W, -1)将结果进一步重塑为(B, H, W, -1)，与输入张量的形状一致，但保留了多头注意力的输出
        x = (attn @ v).view(B, self.num_heads, H, W, -1).permute(0, 2, 3, 1, 4).reshape(B, H, W, -1)
        # 使用self.proj（一个全连接层，形状为(dim, dim)）对上述处理后的张量进行线性投影，以将其投影回原始的特征维度
        x = self.proj(x)
        # 最终，返回经过线性投影的张量x作为注意力模块的输出
        return x

 在多头注意力（Multi-Head Attention）模块中，输入特征F(N×E)表示一个序列，其中N是序列中的元素数量，E是每个元素的特征维度。具体流程如下。

• 首先将每个token的qkv特征维度embed_dim均拆分到每个head上。

• 每个head分别通过q和k计算得到权重w，权重w和v得到输出output，合并所有head的output得到最终的output 

get_rel_pos用于计算查询（query）和键（key）之间在二维空间中的相对位置编码，如下图所示。

实现代码：

def get_rel_pos(q_size: int, k_size: int, rel_pos: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
    # 表示查询（query）和键（key）在二维空间中的最大相对距离
    # max(q_size, k_size)：取查询的宽度q_size和键的宽度k_size中的较大值
    # 如果q_size和k_size都为S，则最大的正向距离是S-1，最大的负向距离也是S-1，所以总的最大距离是2 * S
    # - 1：减去1是因为在计算相对位置时，0被包含在内，所以最大距离是2 * S - 1
    max_rel_dist = int(2 * max(q_size, k_size) - 1)
    # 如果rel_pos的形状的第0个维度（即长度）不等于max_rel_dist，说明需要进行插值
    if rel_pos.shape[0] != max_rel_dist:
        # 使用F.interpolate进行线性插值
        rel_pos_resized = F.interpolate(
            # 1,N,Ep --> 1,Ep,N --> 1,Ep,2S-1
            # 将rel_pos重塑为(1, N, Ep)，其中N是原始的长度，Ep是每个位置编码的特征维度
            # 通过permute(0, 2, 1)进行转置，使其形状变为(1, Ep, N)
            rel_pos.reshape(1, rel_pos.shape[0], -1).permute(0, 2, 1),
            # 设置插值的目标长度为max_rel_dist
            size=max_rel_dist,
            # 指定插值方法为线性插值
            mode="linear",
        )
        # Ep,2S-1 --> 2S-1,Ep
        # 插值后的rel_pos形状为(1, Ep, max_rel_dist)，通过reshape(-1, max_rel_dist)将其重塑为(Ep, max_rel_dist)
        # 再通过permute(1, 0)转置为(max_rel_dist, Ep)
        rel_pos_resized = rel_pos_resized.reshape(-1, max_rel_dist).permute(1, 0)
    else:
        # 如果rel_pos的长度与max_rel_dist相等，说明已经足够覆盖所有可能的相对位置，因此直接使用rel_pos，不进行任何处理
        rel_pos_resized = rel_pos

    # 如果q和k长度值不同，则用短边长度缩放坐标
    # 创建查询坐标q_coords
    # torch.arange(q_size)生成一个从0到q_size - 1的整数序列，表示q_size个位置
    # [:, None]在序列末尾添加一个维度，使其形状为(q_size, 1)，这样可以方便与一个标量进行逐元素乘法
    # max(k_size / q_size, 1.0)计算比例因子，如果k_size大于q_size，则使用k_size / q_size，否则使用1.0
    # 这确保了在q_size小于k_size的情况下，q_coords的坐标会被适当放大，以匹配k_coords的尺度
    q_coords = torch.arange(q_size)[:, None] * max(k_size / q_size, 1.0)
    # 创建键坐标k_coords
    k_coords = torch.arange(k_size)[None, :] * max(q_size / k_size, 1.0)
    # S,S
    # 计算了查询（query）和键（key）在二维空间中的相对坐标relative_coords
    # (q_coords - k_coords):每个查询位置相对于每个键位置的水平距离
    # (k_size - 1) * max(q_size / k_size, 1.0)：计算了一个偏移量，用于确保相对坐标在正确的范围内
    # (q_coords - k_coords) + (k_size - 1) * max(q_size / k_size, 1.0)：将计算出的差值和偏移量相加，得到最终的相对坐标relative_coords
    relative_coords = (q_coords - k_coords) + (k_size - 1) * max(q_size / k_size, 1.0)

    # tensor索引是tensor时,即tensor1[tensor2]
    # 假设tensor2某个具体位置值是2,则tensor1[2]位置的tensor1切片替换tensor2中的2
    # tensor1->shape 5,5,3 tensor2->shape 2,2,3 tensor1切片->shape 5,3 tensor1[tensor2]->shape 2,2,3,5,3
    # tensor1->shape 5,5 tensor2->shape 3,2,3 tensor1切片->shape 5 tensor1[tensor2]->shape 3,2,3,5

    # 2S-1,Ep-->S,S,Ep
    return rel_pos_resized[relative_coords.long()]

 add_decomposed_rel_pos为atten注意力特征添加相对位置的嵌入特征，如下图所示。

def add_decomposed_rel_pos(
    # 注意力分数矩阵
    attn: torch.Tensor,
    q: torch.Tensor,
    rel_pos_h: torch.Tensor,
    rel_pos_w: torch.Tensor,
    q_size: Tuple[int, int],
    k_size: Tuple[int, int],
) -> torch.Tensor:
    # S,S
    q_h, q_w = q_size
    k_h, k_w = k_size
    # rel_pos_h -> 2S-1×Epos
    # 查询（query）和键（key）在高度方向上的相对位置编码
    Rh = get_rel_pos(q_h, k_h, rel_pos_h)
    # 查询（query）和键（key）在宽度方向上的相对位置编码
    Rw = get_rel_pos(q_w, k_w, rel_pos_w)
    # 重塑q为(B, q_h, q_w, dim)
    B, _, dim = q.shape
    r_q = q.reshape(B, q_h, q_w, dim)
    # 计算相对位置加权
    # 计算rel_h和rel_w，这两个张量表示在每个位置上，查询与相对位置编码的加权和
    # B,q_h,q_w,k_h
    rel_h = torch.einsum("bhwc,hkc->bhwk", r_q, Rh)
    # B,q_h, q_w, k_w
    rel_w = torch.einsum("bhwc,wkc->bhwk", r_q, Rw)
    # 合并注意力分数和相对位置编码
    # 将attn重塑为(B, q_h, q_w, k_h, k_w)，然后与rel_h和rel_w按元素相加
    # 将attn重塑为(B, q_h, q_w, k_h, k_w)，然后与rel_h和rel_w按元素相加
    attn = (
    # B,q_h, q_w, k_h, k_w
        attn.view(B, q_h, q_w, k_h, k_w) + rel_h[:, :, :, :, None] + rel_w[:, :, :, None, :]
    ).view(B, q_h * q_w, k_h * k_w)
    return attn

 Multi-Head Attention模块为注意力特征嵌入了相对位置特征(add_decomposed_rel_pos)：

Neck Convolution 

最后，通过两层卷积（Neck）将通道数降低至256，生成最终的Image Embedding。其结构图如下所示。

 代码实现如下：

# neck: nn.Sequential，它包含两个卷积层和两个LayerNorm2d）
self.neck = nn.Sequential(
    # 1x1的卷积层，用于将输入通道数从embed_dim减小到out_chans
    # 1x1卷积主要用于通道间的信息融合，而不改变特征图的空间尺寸
    nn.Conv2d(
        embed_dim,
        out_chans,
        kernel_size=1,
        # 不使用偏置项
        bias=False,
    ),
    # 归一化层，用于规范化输出通道的均值和方差，提高模型的稳定性和收敛速度
    # out_chans：归一化层的通道数
    LayerNorm2d(out_chans),
    # 3x3的卷积层
    nn.Conv2d(
        # 使用out_chans作为输入和输出通道数
        out_chans,
        out_chans,
        kernel_size=3,
        # 输入和输出的特征图尺寸保持不变，避免尺寸收缩
        padding=1,
        # 不使用偏置
        bias=False,
    ),
    # 第二个归一化层，再次对输出进行规范化
    LayerNorm2d(out_chans),
)
# 归一化
class LayerNorm2d(nn.Module):
    def __init__(self, num_channels: int, eps: float = 1e-6) -> None:
        super().__init__()
        # 创建了两个可学习的参数：weight和bias
        # weight初始化为全1，bias初始化为全0
        self.weight = nn.Parameter(torch.ones(num_channels))
        self.bias = nn.Parameter(torch.zeros(num_channels))
        self.eps = eps

    def forward(self, x: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
        # 沿着通道维度求均值，keepdim=True保留维度，使得u的形状与x相同，除了通道维度的大小为1
        u = x.mean(1, keepdim=True)                 # dim=1维度求均值并保留通道
        # 计算标准化因子 s，即减去均值后的平方差的平均值，也保留通道维度
        s = (x - u).pow(2).mean(1, keepdim=True)
        # 归一化，将每个像素的值减去均值 u，然后除以标准差的平方根加上一个小的常数 eps 以保证数值稳定性
        x = (x - u) / torch.sqrt(s + self.eps)
        # 应用可学习的权重和偏置
        x = self.weight[:, None, None] * x + self.bias[:, None, None]
        return x

Prompt Encoder 

SAM模型中Prompt Encoder网络结构如下图所示。主要包括三步骤：

• Embed_Points：标记点编码(标记点由点转变为向量)

• Embed_Boxes：标记框编码(标记框由点转变为向量)

• Embed_Masks：mask编码(mask下采样保证与Image Encoder输出一致)

Embed_Points 

Embed_Points结构如下图所示。

标记点预处理，将channel由2变为embed_dim(MatMul:forward_with_coords)，然后再加上位置编码权重。其中，

• 2：坐标(h,w)

• embed_dim：提示编码的channel

代码实现：

# 将输入的点坐标和对应的标签转化为高维的嵌入表示，以便于后续的模型处理
def _embed_points(
    self,
    points: torch.Tensor,
    labels: torch.Tensor,
    pad: bool,
) -> torch.Tensor:
    # 将输入的点坐标points的每个坐标值增加0.5，以将坐标从像素的左上角移动到像素中心
    points = points + 0.5
    # points和boxes联合则不需要pad
    if pad:
        # 在点坐标 points 和标签 labels 中添加一个填充项
        # 以保持批次处理的一致性，即使某些样本的点数量少于最大数量。
        # 填充的点坐标为(0,0)，标签为-1
        padding_point = torch.zeros((points.shape[0], 1, 2), device=points.device)  # B,1,2
        padding_label = -torch.ones((labels.shape[0], 1), device=labels.device)     # B,1
        points = torch.cat([points, padding_point], dim=1)                          # B,N+1,2
        labels = torch.cat([labels, padding_label], dim=1)                          # B,N+1
    # 根据调整后的点坐标和输入图像的尺寸生成位置编码
    # 生成的嵌入维度：B,N+1,2f
    # 2f 表示每个点位置编码的维度，是通过某种函数（如正弦或余弦函数）从原始的2D坐标扩展而来
    point_embedding = self.pe_layer.forward_with_coords(points, self.input_image_size)  
    # 根据标签 labels 的值，对每个点的嵌入进行调整。

    # labels为-1是非标记点，设为非标记点权重
    point_embedding[labels == -1] = 0.0
    point_embedding[labels == -1] += self.not_a_point_embed.weight
    # labels为0是背景点，加上背景点权重
    point_embedding[labels == 0] += self.point_embeddings[0].weight
    # labels为1是目标点，加上目标点权重
    point_embedding[labels == 1] += self.point_embeddings[1].weight
    return point_embedding

Embed_Boxes

Embed_Boxes结构如下图所示

 标记框（Bounding Box）一般有两个点，编码步骤如下：

1. 将输入的边界框坐标张量boxes从BxNx4转换为BxNx2x2；

2. 再使用point embedding编码的方式，得到corner_embedding；

3. 加上之前生成的可学习的embeding向量。

最后输出的corner_embedding大小为Nx2x256。

代码实现：

# 将输入的边界框（boxes）转换为高维的嵌入表示
def _embed_boxes(self, boxes: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
    # 将坐标从像素的左上角移动到像素中心
    boxes = boxes + 0.5
    # 将输入的边界框坐标张量boxes从BxN*4转换为B*Nx2x2
    # 其中B是批次大小，N是每个样本中的边界框数量
    coords = boxes.reshape(-1, 2, 2)
    # 对每个边界框的角点坐标进行位置编码
    corner_embedding = self.pe_layer.forward_with_coords(coords, self.input_image_size)    #
    # 分别对每个边界框的起始点和末尾点的嵌入向量加上特定的权重
    corner_embedding[:, 0, :] += self.point_embeddings[2].weight
    corner_embedding[:, 1, :] += self.point_embeddings[3].weight
    # 返回加权后嵌入向量，形状为 B*Nx2xembed_dim，其中 embed_dim 是位置编码的维度
    return corner_embedding

Embed_Mask 

mask提示允许我们直接在原图上指示感兴趣区域来引导模型。这些mask通过卷积操作被转换为与图像嵌入空间相匹配的特征，然后与图像嵌入相加结合，为模型提供分割的精确位置信息。

如果没有使用mask提示，则将一组可学习向量(no_mask_embed,1*256)expand为1x256×64×64后替代，使得在处理序列数据时，即使没有具体的mask信息，也能有一个统一的处理方式。

# 在PromptEncoder的forward定义
'''
首先获取no_mask_embed权重矩阵，并将其重塑成一个形状为(1, num_embeddings, 1, 1)的四维张量。

再利用.expand方法将这个张量扩展到与图像编码相同的尺寸。bs是batch大小，-1是一个占位符，它会自动计算出
num_embeddings的值以保持张量的元素总数不变。self.image_embedding_size[0]和self.image_embedding_size[1]分别表示图像编码的宽度和高度。
'''
self.no_mask_embed = nn.Embedding(1, embed_dim)      # embed_dim=256
dense_embeddings = self.no_mask_embed.weight.reshape(1, -1, 1, 1).expand(
                bs, -1, self.image_embedding_size[0], self.image_embedding_size[1])

)

 如果有配置mask，Embed_Masks结构如下图所示

已知输入mask是Nx1x256x256，经过3层卷积，最后得到与Image Embedding一样的size：

首先，mask进入一个1x2x2x4的卷积，stride=2；LN；再进入一个4x2x2x16的卷积，stride=2；LN；最后再进入一个16x1x1x256的卷积；得到最后的mask_embedding的size为Nx256x64x64，最终mask_embedding作为dense_embedding输出，大小为Nx256x64x64。

mask的输出尺寸是Image Encoder模块输出的图像编码尺寸的4倍，因此为了保持一致，需要4倍下采样。

代码实现

# 将输入的掩模（mask）张量转换为一个低分辨率的嵌入表示
# 掩模 masks 是一个形状为 BxCxHxW 的张量
# 其中 B 是批次大小，C 是通道数（通常为1，因为掩模通常只有一通道），H 和 W 分别是高度和宽度。
def _embed_masks(self, masks: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
    # mask下采样4倍
    mask_embedding = self.mask_downscaling(masks)
    # 返回下采样并转换后的掩模嵌入，其形状为 B*embed_dim*H'*W',其中 H' 和 W' 是下采样后的高度和宽度
    return mask_embedding

# mask_downscaling包括多个卷积层、层归一化（LayerNorm2d）和激活函数，目的是减少掩模的空间维度，同时增加通道维度
self.mask_downscaling = nn.Sequential(
    # 将通道数从1减少到mask_in_chans//4，同时使用2x2的卷积核和步长2进行下采样，降低了空间分辨率
    nn.Conv2d(1, mask_in_chans // 4, kernel_size=2, stride=2),
    # 规范化通道维度上的特征
    LayerNorm2d(mask_in_chans // 4),
    # 激活函数，引入非线性
    activation(),
    # 将通道数恢复到 mask_in_chans，再次使用2x2的卷积核和步长2进行下采样，进一步降低空间分辨率
    nn.Conv2d(mask_in_chans // 4, mask_in_chans, kernel_size=2, stride=2),
    # LayerNorm2d 层和激活函数
    LayerNorm2d(mask_in_chans),
    activation(),
    # 将通道数增加到 embed_dim，通常是为了与模型的其他部分保持一致
    nn.Conv2d(mask_in_chans, embed_dim, kernel_size=1),
        )

 PositionEmbeddingRandom

用于将标记点和标记框的坐标进行提示编码预处理。就是将64x64个坐标点归一化后，与随机高斯矩阵相乘(2x128)，再将结果分别进行sin和cos，最后再拼到一起，输出的大小为256x64x64，与image_embedding大小基本一致了。

class PositionEmbeddingRandom(nn.Module):
    """
    Positional encoding using random spatial frequencies.
    """
    def init(self, num_pos_feats: int = 64, scale: Optional[float] = None) -> None:
        super().init()
        if scale is None or scale <= 0.0:
            scale = 1.0
        # 构建一个2x128的随机矩阵作为位置编码高斯矩阵
        self.register_buffer(
            "positional_encoding_gaussian_matrix",
            scale * torch.randn((2, num_pos_feats)),
        )

    def _pe_encoding(self, coords: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
        """Positionally encode points that are normalized to [0,1]."""
        # assuming coords are in [0, 1]^2 square and have d_1 x ... x d_n x 2 shape
        coords = 2 * coords - 1

        # 矩阵乘法：64x64xx2 @ 2x128 ---> 64x64x128
        coords = coords @ self.positional_encoding_gaussian_matrix
        coords = 2 * np.pi * coords

        # outputs d_1 x ... x d_n x C shape
        # cat, 最后一个维度上拼接：64x64x256
        return torch.cat([torch.sin(coords), torch.cos(coords)], dim=-1)

    def forward(self, size: Tuple[int, int]) -> torch.Tensor:
        """Generate positional encoding for a grid of the specified size."""
        h, w = size
        device: Any = self.positional_encoding_gaussian_matrix.device

        # 构造一个64x64的全1矩阵
        grid = torch.ones((h, w), device=device, dtype=torch.float32)

        # 行、列累加
        y_embed = grid.cumsum(dim=0) - 0.5
        x_embed = grid.cumsum(dim=1) - 0.5

        # 行列累加结果归一化
        y_embed = y_embed / h
        x_embed = x_embed / w

        # 行列拼接：64x64x2，编码后的结果是64x64x256
        pe = self._pe_encoding(torch.stack([x_embed, y_embed], dim=-1))

        # 最后输出256x64x64
        return pe.permute(2, 0, 1)  # C x H x W

Mask Decoder

Mask Decoder网络结构参数配置如下

def __init__(
    self,
    *,
    # transformer通道数
    transformer_dim: int,
    # 用于预测mask的Transformer网络模块
    transformer: nn.Module,
    # 消除掩码歧义预测的掩码数量，默认为3
    num_multimask_outputs: int = 3,
    # 激活函数，默认为GELU
    activation: Type[nn.Module] = nn.GELU,
    # MLP用于预测掩模质量的深度
    iou_head_depth: int = 3,
    # MLP的隐藏层通道数
    iou_head_hidden_dim: int = 256,
) -> None:
    super().__init__()
    self.transformer_dim = transformer_dim #存储传入的transformer_dim
    # 存储传入的transformer模块
    self.transformer = transformer
    # 存储掩码预测的输出数量
    self.num_multimask_outputs = num_multimask_outputs
    # 用于表示IoU（Intersection over Union）的嵌入层，大小为1×transformer_dim
    # 可学习的iou tokens：1x256
    self.iou_token = nn.Embedding(1, transformer_dim)
    # 包含IoU token在内的总mask token数量
    # # num_mask_tokens = 3 + 1 = 4, transformer_dim = 256
    # 输出一个4x256的矩阵
    self.num_mask_tokens = num_multimask_outputs + 1
    # 存储所有mask token的嵌入层，大小为num_mask_tokens×transformer_dim
    self.mask_tokens = nn.Embedding(self.num_mask_tokens, transformer_dim)

    #----- upscaled -----
    # 用于4倍上采样的序列，包含两个转置卷积层，每个上采样2倍，中间夹着LayerNorm和激活函数
    self.output_upscaling = nn.Sequential(
        nn.ConvTranspose2d(transformer_dim, transformer_dim // 4, kernel_size=2, stride=2),     #转置卷积 上采样2倍
        LayerNorm2d(transformer_dim // 4),
        activation(),
        nn.ConvTranspose2d(transformer_dim // 4, transformer_dim // 8, kernel_size=2, stride=2),
        activation(),
    )
    # ----- upscaled -----

    # 多层感知机（MLP）模块
    #  一个模块列表，包含了num_mask_tokens个MLP，每个MLP用于处理不同mask的输出
    self.output_hypernetworks_mlps = nn.ModuleList(
        [
            MLP(transformer_dim, transformer_dim, transformer_dim // 8, 3)
            for i in range(self.num_mask_tokens)
        ]
    )
    # ----- MLP -----

    # ----- MLP -----
    # 一个MLP，用于预测IoU，输入是transformer_dim，经过iou_head_hidden_dim的隐藏层，输出是num_mask_tokens
    self.iou_prediction_head = MLP(
        transformer_dim, iou_head_hidden_dim, self.num_mask_tokens, iou_head_depth
    )
    # ----- MLP -----

SAM模型Mask Decoder网络结构如下图所示。

• spa_pro_emb(sparse embedding)、iou_token、mask_token合并成一个tokens，作为point_embeddings。

• spa_pro_emb： point、bbox prompt合并后的产物，一般为NxXx256。

• iou_token：可学习参数，大小为1x256。

• mask_token：可学习参数，大小为4x256。

原论文中Mask Decoder模块各部分结构示意图如下。

Mask Decoder网络在特征提取中的基本步骤如下：

1. transformer：将来自编码器的图像特征与额外的提示信息（如掩码提示或查询向量）融合，以捕捉目标区域的上下文信息。

2. upscaled：对粗略mask src进行上采样，使其与原始图像尺寸相匹配，以便进行更精细的mask预测。

3. mask_MLP：通过一系列全连接层，对上采样后的特征进行变换，计算出针对每个像素的mask概率。这些层可以设计为学习如何为每个mask通道分配权重，从而生成最终的mask输出。

4. iou_MLP：评估生成的mask与真实mask之间的重叠程度，即预测mask的质量。

def forward(
    self,
    # image encoder 图像特征
    image_embeddings: torch.Tensor,
    # 位置编码
    # 256x64x64
    image_pe: torch.Tensor,
    # 标记点和标记框的嵌入编码
    sparse_prompt_embeddings: torch.Tensor,
    # 输入mask的嵌入编码
    dense_prompt_embeddings: torch.Tensor,
    # 是否输出多个mask
    multimask_output: bool,
) -> Tuple[torch.Tensor, torch.Tensor]:
    # 将这些特征融合，通过Transformer和后续的上采样及MLP层，生成掩膜预测和IoU分数
    masks, iou_pred = self.predict_masks(
        image_embeddings=image_embeddings,
        image_pe=image_pe,
        sparse_prompt_embeddings=sparse_prompt_embeddings,
        dense_prompt_embeddings=dense_prompt_embeddings,
    )
    # 如果multimask_output为True，表示需要输出多个掩模，选取索引为1到num_multimask_outputs的所有掩模
    if multimask_output:
        mask_slice = slice(1, None)
    # 否则，如果multimask_output为False，仅输出第一个掩模（通常是最高得分的掩模）
    else:
        mask_slice = slice(0, 1)
    # 根据multimask_output选择后的掩模，维度调整为(batch_size, num_selected_masks, height, width)
    masks = masks[:, mask_slice, :, :]
    # 根据multimask_output选择后的IoU预测，维度调整为(batch_size, num_selected_masks)
    iou_pred = iou_pred[:, mask_slice]
    return masks, iou_pred

def predict_masks(
    self,
    # image embedding： 是image encoder的输出，大小为为1x256x64x64
    image_embeddings: torch.Tensor,
    # image_pe位置编码也拓展成Nx256x64x64的矩阵
    image_pe: torch.Tensor,
    sparse_prompt_embeddings: torch.Tensor,
    dense_prompt_embeddings: torch.Tensor,
) -> Tuple[torch.Tensor, torch.Tensor]:
    # 首先将iou token和mask token 拼接得到一个5x256的矩阵，再将其拓展到与sparse embedding一个维度Nx5x256
    # 1,E and 4,E --> 5,E
    output_tokens = torch.cat([self.iou_token.weight, self.mask_tokens.weight], dim=0)
    # 再将拓展后的矩阵与sparse embedding拼接得到tokens，其大小Nx(5+X)x256
    # 5,E --> B,5,E
    output_tokens = output_tokens.unsqueeze(0).expand(sparse_prompt_embeddings.size(0), -1, -1)
    # 再与稀疏矩阵拼接，假设稀疏矩阵只有point为Nx2x256，拼接之后则为Nx(5+2)x256
    # B,5,E and B,N,E -->B,5+N,E       N是点的个数(标记点和标记框的点)
    tokens = torch.cat((output_tokens, sparse_prompt_embeddings), dim=1)

    # 将image embedding(1x256x64x64)拓展成稠密prompt的维度：Nx256x64x64
    # B,C,H,W
    src = torch.repeat_interleave(image_embeddings, tokens.shape[0], dim=0)
    #将拓展后的image embedding直接与稠密prompt相加：Nx256x64x64
    # B,C,H,W + 1,C,H,W ---> B,C,H,W
    src = src + dense_prompt_embeddings
    # # 将256x64x64的位置编码,拓展成Nx256x64x64
    # 1,C,H,W---> B,C,H,W
    pos_src = torch.repeat_interleave(image_pe, tokens.shape[0], dim=0)
    b, c, h, w = src.shape

    # ----- transformer -----
    # Run the transformer：这里使用的TwoWayTransformer，有必要对输入再说明一下
    # src：image_bedding + dense_prompt（mask）,Nx256x64x64
    # pos_src: 位置编码,Nx256x64x64
    # tokens: iou_tokens + mask_tokens + sparse_prompt（point/bbox）,Nx(5+x)x256
    # B,N,C
    hs, src = self.transformer(src, pos_src, tokens)
    # ----- transformer -----
    # # 后处理
    iou_token_out = hs[:, 0, :]
    mask_tokens_out = hs[:, 1: (1 + self.num_mask_tokens), :]

    # 通过上采样层将Transformer输出的掩模部分恢复到(batch_size, channels, height, width)的形状
    # B,N,C-->B,C,H,W
    src = src.transpose(1, 2).view(b, c, h, w)
    # ----- upscaled -----
    # 4倍上采样
    upscaled_embedding = self.output_upscaling(src)
    # ----- upscaled -----
    
    # 对每个mask token，通过其对应的MLP得到一个权重张量，使用这些权重与上采样后的特征张量进行点乘，得到掩模预测(batch_size, num_mask_tokens, height, width)
    hyper_in_list: List[torch.Tensor] = []
    
    # ----- mlp -----
    for i in range(self.num_mask_tokens):
        # mask_tokens_out[:, i, :]: B,1,C
        # output_hypernetworks_mlps: B,1,c
        hyper_in_list.append(self.output_hypernetworks_mlps[i](mask_tokens_out[:, i, :]))
    # B,n,c
    hyper_in = torch.stack(hyper_in_list, dim=1)
    # ----- mlp -----
    
    b, c, h, w = upscaled_embedding.shape
    # B,n,c × B,c,N-->B,n,h,w
    masks = (hyper_in @ upscaled_embedding.view(b, c, h * w)).view(b, -1, h, w)
    
    # ----- mlp -----
    # 通过IoU预测头（MLP）对IoU token的输出进行处理，得到(batch_size, num_mask_tokens)的IoU分数
    # iou_token_out: B,1,n
    iou_pred = self.iou_prediction_head(iou_token_out)
    # ----- mlp -----
    # 返回预测的掩模和IoU分数
    # masks: B,n,h,w
    # iou_pred: B,1,n
    return masks, iou_pred

transformer

Mask Decoder由多个重复堆叠TwoWayAttention Block和1个Multi-Head Attention组成。

TwoWayAttention Block

TwoWayAttention Block由LayerNorm 、Multi-Head Attention和MLP构成。所谓的TwoWay：即是两轮次循环，第一次point_embedding自注意，第二次则加上上一轮输出的queries进行attention。

原论文中TwoWayAttention部分示意图。

class TwoWayAttentionBlock(nn.Module):
    def __init__(
        self,
        embedding_dim: int,         # 输入特征维度
        num_heads: int,             # 注意力头的数量，决定了注意力机制的并行度
        mlp_dim: int = 2048,        # MLP（多层感知机）中间层的维度，用于特征变换和非线性增强
        activation: Type[nn.Module] = nn.ReLU,      # 激活函数类型，默认为ReLU
        attention_downsample_rate: int = 2,         # 下采样比率
        # 是否在第一层自注意力中跳过位置编码的残差连接
        skip_first_layer_pe: bool = False,
    ) -> None:
        super().__init__()
        # 自注意力模块，用于增强queries内部的信息交互
        self.self_attn = Attention(embedding_dim, num_heads)
        # norm1/2/3/4: LayerNorm层，用于稳定训练和加速收敛
        self.norm1 = nn.LayerNorm(embedding_dim)
        # cross_attn_token_to_image和cross_attn_image_to_token: 交叉注意力模块，分别让标记点特征关注图像特征，以及图像特征反过来关注标记点特征
        self.cross_attn_token_to_image = Attention(
            embedding_dim, num_heads, downsample_rate=attention_downsample_rate
        )
        self.norm2 = nn.LayerNorm(embedding_dim)
        # mlp: 多层感知机模块，增加模型的表达能力
        self.mlp = MLPBlock(embedding_dim, mlp_dim, activation)
        self.norm3 = nn.LayerNorm(embedding_dim)

        self.norm4 = nn.LayerNorm(embedding_dim)
        self.cross_attn_image_to_token = Attention(
            embedding_dim, num_heads, downsample_rate=attention_downsample_rate
        )
        self.skip_first_layer_pe = skip_first_layer_pe
    # 前向传播
    def forward(
        self, queries: Tensor, keys: Tensor, query_pe: Tensor, key_pe: Tensor
    ) -> Tuple[Tensor, Tensor]:

        # queries：标记点编码相关(原始标记点编码经过一系列特征提取)
        # keys：原始图像编码相关(原始图像编码经过一系列特征提取)
        # query_pe：原始标记点编码
        # key_pe：原始图像位置编码
        # 第一轮本身queries==query_pe没比较再"残差"

        # 首先对queries应用自注意力，若skip_first_layer_pe=True，直接使用queries进行自注意力计算；否则，将queries与query_pe相加后进行自注意力计算，并残差连接回queries，之后进行LayerNorm
        if self.skip_first_layer_pe:
            queries = self.self_attn(q=queries, k=queries, v=queries)
        else:
            q = queries + query_pe
            attn_out = self.self_attn(q=q, k=q, v=queries)
            queries = queries + attn_out
        queries = self.norm1(queries)

        # 调整queries和keys（图像特征）加上各自的位置编码，然后通过cross_attn_token_to_image交叉注意力层，使标记点特征关注图像特征，结果与原始queries残差连接并进行LayerNorm
        q = queries + query_pe
        k = keys + key_pe
        attn_out = self.cross_attn_token_to_image(q=q, k=k, v=keys)
        queries = queries + attn_out
        queries = self.norm2(queries)

        # MLP block：将更新后的queries通过MLP模块进行非线性变换，结果与原queries残差连接并进行LayerNorm
        mlp_out = self.mlp(queries)
        queries = queries + mlp_out
        queries = self.norm3(queries)

        # 交叉注意力（图像到标记点）：再次调整queries和keys加上位置编码，但这次通过cross_attn_image_to_token让图像特征关注标记点特征，更新后的keys与原始keys残差连接并进行LayerNorm
        q = queries + query_pe
        k = keys + key_pe
        attn_out = self.cross_attn_image_to_token(q=k, k=q, v=queries)
        keys = keys + attn_out
        keys = self.norm4(keys)
        return queries, keys

Attention 

Mask Decoder的Attention与ViT的Attention有些细微的不同：

• Mask Decoder的Attention是3个FC层分别接受3个输入获得q、k和v。

• ViT的Attention是1个FC层接受1个输入后将结果均拆分获得q、k和v。

如下图所示。

 原论文中Attention部分示意图

class Attention(nn.Module):

    def __init__(
        self,
        embedding_dim: int,         # 输入特征的维度
        num_heads: int,             # attention的head数
        downsample_rate: int = 1,   # 下采样
    ) -> None:
        super().__init__()
        self.embedding_dim = embedding_dim
        # 内部维度
        self.internal_dim = embedding_dim // downsample_rate
        self.num_heads = num_heads
        assert self.internal_dim % num_heads == 0, "num_heads must divide embedding_dim."
        # 四个线性层（全连接层）：用于生成query向量、key向量、value向量
        self.q_proj = nn.Linear(embedding_dim, self.internal_dim)
        self.k_proj = nn.Linear(embedding_dim, self.internal_dim)
        self.v_proj = nn.Linear(embedding_dim, self.internal_dim)
        # 用于将注意力机制后的输出投影回原始的特征维度
        self.out_proj = nn.Linear(self.internal_dim, embedding_dim)
    # 将输入张量分解为多头注意力所需的形状
    def _separate_heads(self, x: Tensor, num_heads: int) -> Tensor:
        b, n, c = x.shape
        x = x.reshape(b, n, num_heads, c // num_heads)
        return x.transpose(1, 2)  # B x N_heads x N_tokens x C_per_head
    # 在注意力计算后重新组合这些头部
    def _recombine_heads(self, x: Tensor) -> Tensor:
        b, n_heads, n_tokens, c_per_head = x.shape
        x = x.transpose(1, 2)
        return x.reshape(b, n_tokens, n_heads * c_per_head)  # B x N_tokens x C

    def forward(self, q: Tensor, k: Tensor, v: Tensor) -> Tensor:
        # 输入投影：分别使用q_proj、k_proj和v_proj对query、key和value进行线性变换
        q = self.q_proj(q)
        k = self.k_proj(k)
        v = self.v_proj(v)

        # 分离头部：将变换后的query、key和value张量按照num_heads进行重塑，以便进行多头注意力计算
        # B,N_heads,N_tokens,C_per_head
        q = self._separate_heads(q, self.num_heads)
        k = self._separate_heads(k, self.num_heads)
        v = self._separate_heads(v, self.num_heads)

        # 注意力计算：
        # 计算query和key的点积，然后除以c_per_head的平方根进行归一化，以防止数值过大
        _, _, _, c_per_head = q.shape
        attn = q @ k.permute(0, 1, 3, 2)  # B,N_heads,N_tokens,C_per_head
        # 归一化Scale
        attn = attn / math.sqrt(c_per_head)
        # 应用softmax函数得到注意力权重
        attn = torch.softmax(attn, dim=-1)
        # 使用注意力权重对value进行加权求和，得到注意力输出
        out = attn @ v
        # # B,N_tokens,C
        # 重新组合头部：将多头注意力输出合并回原始的特征维度。
        out = self._recombine_heads(out)
        # 输出投影：最后，通过out_proj将输出投影回原始的embedding_dim
        out = self.out_proj(out)
        return out

transformer_MLP

transformer中MLP的结构如下图所示

# MLPBlock类是一个简单的多层感知机（MLP）模块，由两个全连接层（Linear）和一个激活函数组成
class MLPBlock(nn.Module):
    def __init__(
        self,
        # 输入的维度，通常是特征向量的长度
        embedding_dim: int,
        # MLP中间层的宽度，可以设置为比输入维度更大的值以增加模型的表达能力
        mlp_dim: int,
        # 激活函数，这里默认使用GELU
        act: Type[nn.Module] = nn.GELU,
    ) -> None:
        super().__init__()
        # 第一个全连接层，将输入从embedding_dim维度变换到mlp_dim维度
        self.lin1 = nn.Linear(embedding_dim, mlp_dim)
        # 第二个全连接层，将mlp_dim维度的结果变换回embedding_dim维度，以保持与输入相同的维度
        self.lin2 = nn.Linear(mlp_dim, embedding_dim)
        # 激活函数实例，用于在全连接层之间引入非线性
        self.act = act()
    # 接收输入张量x，将其传递给lin1，然后应用激活函数act。
    # 将激活函数的输出传递给lin2，得到最终的输出张量
    def forward(self, x: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
        return self.lin2(self.act(self.lin1(x)))

upscaled

这个上采样过程将Transformer的输出特征图恢复到更接近输入图像的分辨率，以便于生成掩模预测。upscaled的结构如下图所示。

# 在MaskDecoder的__init__定义
# output_upscaling是一个序列模块，用于上采样Transformer输出的特征图
self.output_upscaling = nn.Sequential(
    # 使用nn.ConvTranspose2d，输入通道数为transformer_dim，输出通道数为transformer_dim // 4，内核大小为2，步长为2
    # 将特征图的尺寸放大两倍，同时将通道数减半
    # 内核大小为2的转置卷积相当于上采样2倍，步长为2确保输出尺寸翻倍
    nn.ConvTranspose2d(transformer_dim, transformer_dim // 4, kernel_size=2, stride=2),     #转置卷积 上采样2倍
    # 层归一化（LayerNorm2d）
    LayerNorm2d(transformer_dim // 4),
    # 激活函数
    activation(),
    # 再次使用nn.ConvTranspose2d，输入通道数为transformer_dim // 4，输出通道数为transformer_dim // 8，内核大小为2，步长为2。这一步继续将特征图的尺寸放大两倍，同时通道数再次减半
    nn.ConvTranspose2d(transformer_dim // 4, transformer_dim // 8, kernel_size=2, stride=2),
    # 重复激活函数的过程，以进一步增强非线性表达
    activation(),
)
# 在MaskDecoder的predict_masks添加位置编码
upscaled_embedding = self.output_upscaling(src)

 mask_MLP

此处的MLP基础模块不同于ViT的MLP(transformer_MLP)基础模块

# 在MaskDecoder的__init__定义
# output_hypernetworks_mlps是一个nn.ModuleList，包含了多个多层感知机（MLP）。每个MLP的目的是根据输入的mask_tokens_out生成特定掩模的超网络权重
self.output_hypernetworks_mlps = nn.ModuleList(
    [
        # transformer_dim: Transformer的输出维度，也是输入到MLP的通道数
        # transformer_dim // 8: MLP的输出通道数，用于生成超网络的权重
        # 3: MLP的中间层维度，用于增加模型的表达能力
        MLP(transformer_dim, transformer_dim, transformer_dim // 8, 3)
        for i in range(self.num_mask_tokens)
    ]
)
# 在MaskDecoder的predict_masks添加位置编码
# 对于self.num_mask_tokens个掩模token，遍历output_hypernetworks_mlps列表
for i in range(self.num_mask_tokens):
    # mask_tokens_out[:, i, :]: B,1,C
    # output_hypernetworks_mlps: B,1,c
    # 对每个掩模token，应用对应的MLP，输入是mask_tokens_out中对应位置的特征，输出为B, 1, c形状的张量，其中c是超网络的输出通道数
    # 将每个MLP的输出收集到hyper_in_list列表中
    hyper_in_list.append(self.output_hypernetworks_mlps[i](mask_tokens_out[:, i, :]))
# B,n,c
# 将hyper_in_list堆叠成一个B, n, c形状的张量hyper_in，其中n是掩模token的数量
hyper_in = torch.stack(hyper_in_list, dim=1)
# 获取upscaled_embedding的形状b, c, h, w，其中b是批次大小，c是通道数，h和w是高度和宽度
b, c, h, w = upscaled_embedding.shape
# B,n,c × B,c,N-->B,n,h,w
# 执行矩阵乘法（@运算符）将hyper_in（B, n, c）与upscaled_embedding（在通道维度上展平为B, c, h * w）相结合
# 计算每个掩模token的超网络权重与上采样特征图的点积，得到B, n, h * w形状的张量
# 通过view操作将结果转换回B, n, h, w形状，生成了masks张量，表示每个掩模token对应的预测掩模
masks = (hyper_in @ upscaled_embedding.view(b, c, h * w)).view(b, -1, h, w)

 iou_MLP

此处的MLP基础模块不同于ViT的MLP(transformer_MLP)基础模块

# 在MaskDecoder的__init__定义
# 一个多层感知机（MLP）模块，其目的是预测每个掩模token对应的IoU（Intersection over Union，交并比）值，以评估预测掩模与真实掩模的重合程度
self.iou_prediction_head = MLP(
    # transformer_dim: 输入到MLP的特征维度，通常与Transformer的输出维度相同
    # iou_head_hidden_dim: MLP中间层的维度，用于增强模型的表达能力
    # self.num_mask_tokens: 输出维度，即预测的掩模令牌数量，每个令牌对应一个IoU预测值
    transformer_dim, iou_head_hidden_dim, self.num_mask_tokens, iou_head_depth
)
# 在MaskDecoder的predict_masks添加位置编码
iou_pred = self.iou_prediction_head(iou_token_out)

MaskDeco_MLP

Mask Decoder中MLP的结构如下图所示

'''
定义了一个多层感知机，它包含一个可配置的隐藏层数目、输入和输出维度，并可以选择是否在输出层应用Sigmoid激活函数
'''
class MLP(nn.Module):
    def __init__(
        self,
        input_dim: int,         # 输入特征的维度，即输入张量的通道数
        hidden_dim: int,        # 隐藏层的通道数，中间层的宽度
        output_dim: int,        # 输出特征的维度，即输出张量的通道数
        num_layers: int,        # 多层感知机的层数，包括输入层和输出层
        sigmoid_output: bool = False, #  一个布尔值，表示是否在输出层应用Sigmoid激活函数，默认为False
    ) -> None:
        '''
        内部组件
        '''
        super().__init__()
        # 存储输入的层数
        self.num_layers = num_layers
        # 一个列表，包含num_layers - 1个hidden_dim，用于构建中间层的线性变换
        h = [hidden_dim] * (num_layers - 1)
        #  一个nn.ModuleList，包含num_layers个线性层（全连接层），每个层的输入和输出通道数由h和input_dim、output_dim决定
        self.layers = nn.ModuleList(
            nn.Linear(n, k) for n, k in zip([input_dim] + h, h + [output_dim])
        )
        self.sigmoid_output = sigmoid_output

    def forward(self, x):
        # 对输入张量x，遍历layers列表中的每个线性层
        for i, layer in enumerate(self.layers):
            # 如果当前层不是最后一层，应用ReLU激活函数（F.relu）
            x = F.relu(layer(x)) if i < self.num_layers - 1 else layer(x)
        # 如果sigmoid_output为True，最后对输出应用Sigmoid激活函数
        if self.sigmoid_output:
            x = F.sigmoid(x)
        return x

总结

通过本周阅读文献和代码的结合，初步对该文献有了一定的了解，接下来会对其深入理解。