DETR源码学习（一）之网络模型构建

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标签： DETR源码学习（一）之网络模型构建 JavaScript博客 51CTO博客

2023-03-25 18:45:50 251浏览

DETR源码学习（一）之网络模型构建，关于多头注意力机制，就是有多个单头注意力组成的，如下图单头注意力。


DETR源码学习（一）之网络模型构建_2d

这篇文章主要为记录DETR模型的构建过程
首先明确DETR模型的搭建顺序：首先是backbone的搭建，使用的是resnet50,随后是Transformer模型的构建，包含编码器的构建与解码器的构建，完成后则是整个DETR模型的构建
构建代码在detr.py文件中

# 搭建主干网络
    backbone = build_backbone(args)
    # 搭建transfoemer
    transformer = build_transformer(args)
    # 搭建DETR模型
    model = DETR(
        backbone,
        transformer,
        num_classes=num_classes,
        num_queries=args.num_queries,
        aux_loss=args.aux_loss,
    )

我们来沿着这个代码逐步了解其构造

骨干网络构建

进入 backbone.py 的 build_backbone() 方法

def build_backbone(args):
    #搭建位置编码器
    position_embedding = build_position_encoding(args)
    #args.lr_backbone默认为1e-5，则train_backbone默认为true，通过设置backbone的lr来设置是否训练网络时
    # 接收backbone的梯度从而让backbone也训练。
    train_backbone = args.lr_backbone > 0

    #是否需要记录backbone的每层输出
    return_interm_layers = args.masks
    #构建骨干网络 args.backbone默认为resnet50,args.dilatyion默认为false。
    backbone = Backbone(args.backbone, train_backbone, return_interm_layers, args.dilation)
    # 将backbone和位置编码器集合在一起放在一个model里
    model = Joiner(backbone, position_embedding)
    # 设置model的输出通道数
    model.num_channels = backbone.num_channels
    return model

位置编码器构建

首先是位置编码器构造，进入position_encoding.py文件（注意位置编码最后是加上去的，故其前后维度不会发生变化。

def build_position_encoding(args):
    #args.hidden_dim    transformer的输入张量的channel数，位置编码和backbone的featuremap结合后需要输入到transformer中
    N_steps = args.hidden_dim // 2
    # 余弦编码方式，文章说采用正余弦函数，是根据归纳偏置和经验做出的选择
    if args.position_embedding in ('v2', 'sine'):
        # TODO find a better way of exposing other arguments
        #PositionEmbeddingSine(N_steps, normalize=True)：正余弦编码方式，这种方式是将各个位置的各个维度映射到角度上，
        # 因此有个scale，默认是2pi。
        position_embedding = PositionEmbeddingSine(N_steps, normalize=True)
    # 可学习的编码方式
    elif args.position_embedding in ('v3', 'learned'):
        position_embedding = PositionEmbeddingLearned(N_steps)
    else:
        raise ValueError(f"not supported {args.position_embedding}")

    return position_embedding

返回的位置编码信息如下：

DETR源码学习（一）之网络模型构建_网络_02

resnet50网络构建

随后使用pytorch的model库进行resnet50网络的构建

def __init__(self, name: str,
             train_backbone: bool,
             return_interm_layers: bool,
             dilation: bool):
    # getattr（obj,name）获取obj中命名为name的组成。可以理解为获取obj.name
    # 获取torchvision.models中实现的resnet50网络结构
    # replace_stride_with_dilation 决定是否使用膨胀卷积；pretrained 是否使用预训练模型；
    # norm_layer 使用FrozenBatchNorm2d归一化方式
    backbone = getattr(torchvision.models, name)(
        replace_stride_with_dilation=[False, False, dilation],
        pretrained=is_main_process(), norm_layer=FrozenBatchNorm2d)
    #获得resnet50网络结构，并设置输出channels为2048，所以我们的backbone的输出则是
    # (batch, 2048, H // 32,W // 32)，在父类BackboneBase.__init__中进行初始化。
    num_channels = 512 if name in ('resnet18', 'resnet34') else 2048
    super().__init__(backbone, train_backbone, num_channels, return_interm_layers)

此时通过pytorch的model库获得的backbone为：其中已进行了相关参数的初始化

DETR源码学习（一）之网络模型构建_自然语言处理_03


在最后其进入其父类进行进一步设置，逐层设置是否进行梯度更新，其构建的resnet模型中已是预训练模型，有参数。

通过下图可以看到backbone的主要结构，通道数

DETR源码学习（一）之网络模型构建_深度学习_04


DETR源码学习（一）之网络模型构建_ide_05

随后通过model = Joiner(backbone, position_embedding)将位置编码器与backbone构建到一个model中。并通过model.num_channels = backbone.num_channels设置新构成的model的通道数与backbone的通道数一致为2048。

Joiner构造后的结构如下：

DETR源码学习（一）之网络模型构建_深度学习_06

Joiner(
  (0): Backbone(
      (layer1): Sequential( )
      (layer2): Sequential( )
      (layer3): Sequential( )
      (layer4): Sequential( )
    )
  (1): PositionEmbeddingSine()
)

详细结构如下：

Joiner(
  (0): Backbone(
    (body): IntermediateLayerGetter(
      (conv1): Conv2d(3, 64, kernel_size=(7, 7), stride=(2, 2), padding=(3, 3), bias=False)
      (bn1): FrozenBatchNorm2d()
      (relu): ReLU(inplace=True)
      (maxpool): MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2, padding=1, dilation=1, ceil_mode=False)
      (layer1): Sequential(
        (0): Bottleneck(
          (conv1): Conv2d(64, 64, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn1): FrozenBatchNorm2d()
          (conv2): Conv2d(64, 64, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
          (bn2): FrozenBatchNorm2d()
          (conv3): Conv2d(64, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn3): FrozenBatchNorm2d()
          (relu): ReLU(inplace=True)
          (downsample): Sequential(
            (0): Conv2d(64, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
            (1): FrozenBatchNorm2d()
          )
        )
        (1): Bottleneck(
          (conv1): Conv2d(256, 64, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn1): FrozenBatchNorm2d()
          (conv2): Conv2d(64, 64, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
          (bn2): FrozenBatchNorm2d()
          (conv3): Conv2d(64, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn3): FrozenBatchNorm2d()
          (relu): ReLU(inplace=True)
        )
        (2): Bottleneck(
          (conv1): Conv2d(256, 64, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn1): FrozenBatchNorm2d()
          (conv2): Conv2d(64, 64, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
          (bn2): FrozenBatchNorm2d()
          (conv3): Conv2d(64, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn3): FrozenBatchNorm2d()
          (relu): ReLU(inplace=True)
        )
      )
      (layer2): Sequential(
        (0): Bottleneck(
          (conv1): Conv2d(256, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn1): FrozenBatchNorm2d()
          (conv2): Conv2d(128, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(2, 2), padding=(1, 1), bias=False)
          (bn2): FrozenBatchNorm2d()
          (conv3): Conv2d(128, 512, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn3): FrozenBatchNorm2d()
          (relu): ReLU(inplace=True)
          (downsample): Sequential(
            (0): Conv2d(256, 512, kernel_size=(1, 1), stride=(2, 2), bias=False)
            (1): FrozenBatchNorm2d()
          )
        )
        (1): Bottleneck(
          (conv1): Conv2d(512, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn1): FrozenBatchNorm2d()
          (conv2): Conv2d(128, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
          (bn2): FrozenBatchNorm2d()
          (conv3): Conv2d(128, 512, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn3): FrozenBatchNorm2d()
          (relu): ReLU(inplace=True)
        )
        (2): Bottleneck(
          (conv1): Conv2d(512, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn1): FrozenBatchNorm2d()
          (conv2): Conv2d(128, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
          (bn2): FrozenBatchNorm2d()
          (conv3): Conv2d(128, 512, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn3): FrozenBatchNorm2d()
          (relu): ReLU(inplace=True)
        )
        (3): Bottleneck(
          (conv1): Conv2d(512, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn1): FrozenBatchNorm2d()
          (conv2): Conv2d(128, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
          (bn2): FrozenBatchNorm2d()
          (conv3): Conv2d(128, 512, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn3): FrozenBatchNorm2d()
          (relu): ReLU(inplace=True)
        )
      )
      (layer3): Sequential(
        (0): Bottleneck(
          (conv1): Conv2d(512, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn1): FrozenBatchNorm2d()
          (conv2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(2, 2), padding=(1, 1), bias=False)
          (bn2): FrozenBatchNorm2d()
          (conv3): Conv2d(256, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn3): FrozenBatchNorm2d()
          (relu): ReLU(inplace=True)
          (downsample): Sequential(
            (0): Conv2d(512, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(2, 2), bias=False)
            (1): FrozenBatchNorm2d()
          )
        )
        (1): Bottleneck(
          (conv1): Conv2d(1024, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn1): FrozenBatchNorm2d()
          (conv2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
          (bn2): FrozenBatchNorm2d()
          (conv3): Conv2d(256, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn3): FrozenBatchNorm2d()
          (relu): ReLU(inplace=True)
        )
        (2): Bottleneck(
          (conv1): Conv2d(1024, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn1): FrozenBatchNorm2d()
          (conv2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
          (bn2): FrozenBatchNorm2d()
          (conv3): Conv2d(256, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn3): FrozenBatchNorm2d()
          (relu): ReLU(inplace=True)
        )
        (3): Bottleneck(
          (conv1): Conv2d(1024, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn1): FrozenBatchNorm2d()
          (conv2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
          (bn2): FrozenBatchNorm2d()
          (conv3): Conv2d(256, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn3): FrozenBatchNorm2d()
          (relu): ReLU(inplace=True)
        )
        (4): Bottleneck(
          (conv1): Conv2d(1024, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn1): FrozenBatchNorm2d()
          (conv2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
          (bn2): FrozenBatchNorm2d()
          (conv3): Conv2d(256, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn3): FrozenBatchNorm2d()
          (relu): ReLU(inplace=True)
        )
        (5): Bottleneck(
          (conv1): Conv2d(1024, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn1): FrozenBatchNorm2d()
          (conv2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
          (bn2): FrozenBatchNorm2d()
          (conv3): Conv2d(256, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn3): FrozenBatchNorm2d()
          (relu): ReLU(inplace=True)
        )
      )
      (layer4): Sequential(
        (0): Bottleneck(
          (conv1): Conv2d(1024, 512, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn1): FrozenBatchNorm2d()
          (conv2): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(2, 2), padding=(1, 1), bias=False)
          (bn2): FrozenBatchNorm2d()
          (conv3): Conv2d(512, 2048, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn3): FrozenBatchNorm2d()
          (relu): ReLU(inplace=True)
          (downsample): Sequential(
            (0): Conv2d(1024, 2048, kernel_size=(1, 1), stride=(2, 2), bias=False)
            (1): FrozenBatchNorm2d()
          )
        )
        (1): Bottleneck(
          (conv1): Conv2d(2048, 512, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn1): FrozenBatchNorm2d()
          (conv2): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
          (bn2): FrozenBatchNorm2d()
          (conv3): Conv2d(512, 2048, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn3): FrozenBatchNorm2d()
          (relu): ReLU(inplace=True)
        )
        (2): Bottleneck(
          (conv1): Conv2d(2048, 512, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn1): FrozenBatchNorm2d()
          (conv2): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
          (bn2): FrozenBatchNorm2d()
          (conv3): Conv2d(512, 2048, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
          (bn3): FrozenBatchNorm2d()
          (relu): ReLU(inplace=True)
        )
      )
    )
  )
  (1): PositionEmbeddingSine()
)

最终完成backbone的构建，随后则跳转回detr.py中继续transformer模型的构建

Transformer模型构建

跳转到 transformer.py 中执行 build_transformer() 方法

def build_transformer(args):
    return Transformer(
        d_model=args.hidden_dim,
        dropout=args.dropout,
        nhead=args.nheads,
        dim_feedforward=args.dim_feedforward,
        num_encoder_layers=args.enc_layers,
        num_decoder_layers=args.dec_layers,
        normalize_before=args.pre_norm,
        return_intermediate_dec=True,
    )

其对应参数值为：

DETR源码学习（一）之网络模型构建_自然语言处理_07


在Transformer模型的构建中，分别包含编码器层与解码器层的构建，而由上可知分别设计6层编码器与6层解码器，其结构都是相同的，只需要构造成一个随后再复制即可。

![

Transformer结构图

DETR源码学习（一）之网络模型构建_2d_08

  1. 在第一层，transformer = embedding + 位置编码(Positional Encoding) + encoder +
    decoder ；
  2. 在第二层，encoder = 多个EncoderLayer = 多个（Multi-Head-Attention + LayerNorm
    Residual连接 + FeedForwardNet）；decoder = 多个DecoderLayer = 多个（Masked Multi-Head-Attention + encoder-decoder Multi-Head-Attention + LayerNorm + Residual连接 + FeedForwardNet）。其中，LayerNormalization和BatchNorm不同，BatchNorm是在一个batch里所有sample的同一个维度上计算mean std（均差与方差），而LayerNorm不考虑batch，是在一个sample的不同维度上计算mean std；
  3. 在第三层，Multi-Head-Attention = linear + scaled dot-product attention（单头注意力） + concat + linear;
  4. 在第四层， scaled dot-product attention = MatMul + Scale + Mask + SoftMax+MatMul。

编码器层的构造

encoder_layer = TransformerEncoderLayer(d_model, nhead, 
		dim_feedforward,dropout, activation, normalize_before)

DETR源码学习（一）之网络模型构建_自然语言处理_09

多头注意力构建

编码器中最重要的便是多头注意力的构建了，使用的是pytorch中封装好的方法构建。

self.self_attn = nn.MultiheadAttention(d_model, nhead, dropout=dropout)

参数介绍

# 先决定参数
dims = 256 * 10 # 所有头总共需要的输入维度
heads = 10    # 单注意力头的总共个数
dropout_pro = 0.0 # 单注意力头  dropout_p: dropout的概率，当其为非零时执行dropout
 
# 传入参数得到我们需要的多注意力头
layer = torch.nn.MultiheadAttention(embed_dim = dims, num_heads = heads, dropout = dropout_pro)

在这里，输入维度为256，可以理解为想要获得的特征维度为256，在内部计算时，由于有8个头，则会将其均分为256/8=32，随后在输出是会将其再拼接回256。

多头注意力已经在pytorch中封装好了，我们直接调用即可：

def __init__(self, embed_dim, num_heads, dropout=0., bias=True, add_bias_kv=False, add_zero_attn=False,
             kdim=None, vdim=None, batch_first=False, device=None, dtype=None) -> None:
    factory_kwargs = {'device': device, 'dtype': dtype}
    super(MultiheadAttention, self).__init__()
    self.embed_dim = embed_dim
    self.kdim = kdim if kdim is not None else embed_dim
    self.vdim = vdim if vdim is not None else embed_dim
    self._qkv_same_embed_dim = self.kdim == embed_dim and self.vdim == embed_dim

    self.num_heads = num_heads
    self.dropout = dropout
    self.batch_first = batch_first
    self.head_dim = embed_dim // num_heads
    assert self.head_dim * num_heads == self.embed_dim, "embed_dim must be divisible by num_heads"

    if not self._qkv_same_embed_dim:
        self.q_proj_weight = Parameter(torch.empty((embed_dim, embed_dim), **factory_kwargs))
        self.k_proj_weight = Parameter(torch.empty((embed_dim, self.kdim), **factory_kwargs))
        self.v_proj_weight = Parameter(torch.empty((embed_dim, self.vdim), **factory_kwargs))
        self.register_parameter('in_proj_weight', None)
    else:
        self.in_proj_weight = Parameter(torch.empty((3 * embed_dim, embed_dim), **factory_kwargs))
        self.register_parameter('q_proj_weight', None)
        self.register_parameter('k_proj_weight', None)
        self.register_parameter('v_proj_weight', None)

    if bias:
        self.in_proj_bias = Parameter(torch.empty(3 * embed_dim, **factory_kwargs))
    else:
        self.register_parameter('in_proj_bias', None)
    self.out_proj = NonDynamicallyQuantizableLinear(embed_dim, embed_dim, bias=bias, **factory_kwargs)

    if add_bias_kv:
        self.bias_k = Parameter(torch.empty((1, 1, embed_dim), **factory_kwargs))
        self.bias_v = Parameter(torch.empty((1, 1, embed_dim), **factory_kwargs))
    else:
        self.bias_k = self.bias_v = None

    self.add_zero_attn = add_zero_attn

    self._reset_parameters()

Q，K，V 等参数也是在此构造的，其维度也都为256。（注意按照源码来看，QKV可以存在维度不同的状态）

torch.empty是按照所给的形状形成对应的tensor，特点是填充的值还未初始化，类比torch.randn（标准正态分布），这就是一种初始化的方式。在PyTorch中，变量类型是tensor的话是无法修改值的，而Parameter()函数可以看作为一种类型转变函数，将不可改值的tensor转换为可训练可修改的模型参数，即与model.parameters绑定在一起，register_parameter的意思是是否将这个参数放到model.parameters，None的意思是没有这个参数。

随后进行权重值初始化，分别为Weights (2563,256)，Bias为2563
这里实际上Weights是由Wq，Wk，Wv按序排列组合的，在进行运算时再分开。

多头注意力介绍

关于多头注意力机制，就是有多个单头注意力组成的，如下图单头注意力。

DETR源码学习（一）之网络模型构建_网络_10

DETR源码学习（一）之网络模型构建_ide_11

整体称为一个单注意力头，因为运算结束后只对每个输入产生一个输出结果，一般在网络中，输出可以被称为网络提取的特征，那我们肯定希望提取多种特征，[ 比如说我输入是一个修狗图片的向量序列，我肯定希望网络提取到特征有形状、颜色、纹理等等，所以单头注意肯定是不够的 ]
于是最简单的思路，最优雅的方式就是将多个头横向拼接在一起，每次运算我同时提到多个特征，所以多头的样子如下：

DETR源码学习（一）之网络模型构建_自然语言处理_12


因为是拼接而成的，所以每个单注意力头其实是各自输出各自的，所以会得到h个特征，把h个特征拼接起来，就成为了多注意力的输出特征。

那么想要在训练的时候使用，我们就需要给它喂入数据，也就是调用forward函数，完成前向传播这一动作。

编码器其他组件构建

DETR源码学习（一）之网络模型构建_深度学习_13

Positional Encoding

位置编码，按照字面意思理解就是给输入的位置做个标记，简单理解比如你就给一个字在句子中的位置编码1，2，3，4这样下去，高级点的比如作者用的正余弦函数

DETR源码学习（一）之网络模型构建_2d_14


其中pos表示字在句子中的位置，i指的词向量的维度。经过位置编码，相当于能够得到一个和输入维度完全一致的编码数组 Xpos ，当它叠加到原来的词嵌入上得到新的词嵌入。

DETR源码学习（一）之网络模型构建_自然语言处理_15


此时的维度为：一个批次的句子数 X 一个句子的词数 X 一个词的嵌入维度

Add & Norm

这里主要做了两个操作

一个是残差连接（或者叫做短路连接），说得直白点就是把上一层的输入 X 和上一层的输出 SubLayer(X) 加起来 ，即 X+SubLayer(X)

，举例说明，比如在注意力机制前后的残差连接：

DETR源码学习（一）之网络模型构建_自然语言处理_16


一个是LayerNormalization（作用是把神经网络中隐藏层归一为标准正态分布，加速收敛），具体操作是将每一行的每一个元素减去这行的均值, 再除以这行的标准差, 从而得到归一化后的数值。

Feedforward + Add & Norm

前馈网络也就是简单的两层线性映射再经过激活函数一下，比如

DETR源码学习（一）之网络模型构建_ide_17


残差操作和层归一化同步骤

此时便构建出 Transformer中的一个encoder模块，经过1，2，3，4后得到的就是encode后的隐藏层表示，可以发现它的维度其实和输入是一致的！即：一个批次中句子数 X 一个句子的字数 X 字嵌入的维度。
构建的单层编码器层整体代码如下：

DETR源码学习（一）之网络模型构建_网络_18

构建后的单层编码器层相关参数如下：

DETR源码学习（一）之网络模型构建_自然语言处理_19


最终构建多层编码器：

class TransformerEncoder(nn.Module):

    def __init__(self, encoder_layer, num_layers, norm=None):
        super().__init__()
        self.layers = _get_clones(encoder_layer, num_layers)#克隆多个encoder_layer
        self.num_layers = num_layers
        self.norm = norm

    def forward(self, src,
                mask: Optional[Tensor] = None,
                src_key_padding_mask: Optional[Tensor] = None,
                pos: Optional[Tensor] = None):
        output = src

        for layer in self.layers:
            output = layer(output, src_mask=mask,
                           src_key_padding_mask=src_key_padding_mask, pos=pos)

        if self.norm is not None:
            output = self.norm(output)

        return output

克隆多个层代码

def _get_clones(module, N):
    return nn.ModuleList([copy.deepcopy(module) for i in range(N)])

解码器层的构造

与编码器不同，解码器中的最开始时需要使用多头注意力进行计算self-attention。

def __init__(self, d_model, nhead, dim_feedforward=2048, dropout=0.1,
             activation="relu", normalize_before=False):
    super().__init__()
    self.self_attn = nn.MultiheadAttention(d_model, nhead, dropout=dropout)
    self.multihead_attn = nn.MultiheadAttention(d_model, nhead, dropout=dropout)
    # Implementation of Feedforward model
    self.linear1 = nn.Linear(d_model, dim_feedforward)
    self.dropout = nn.Dropout(dropout)
    self.linear2 = nn.Linear(dim_feedforward, d_model)

    self.norm1 = nn.LayerNorm(d_model)
    self.norm2 = nn.LayerNorm(d_model)
    self.norm3 = nn.LayerNorm(d_model)
    self.dropout1 = nn.Dropout(dropout)
    self.dropout2 = nn.Dropout(dropout)
    self.dropout3 = nn.Dropout(dropout)

    self.activation = _get_activation_fn(activation)
    self.normalize_before = normalize_before

将上面初始化的组件连接起来：

def forward_post(self, tgt, memory,
                 tgt_mask: Optional[Tensor] = None,
                 memory_mask: Optional[Tensor] = None,
                 tgt_key_padding_mask: Optional[Tensor] = None,
                 memory_key_padding_mask: Optional[Tensor] = None,
                 pos: Optional[Tensor] = None,
                 query_pos: Optional[Tensor] = None):
    q = k = self.with_pos_embed(tgt, query_pos)#加入位置编码
    tgt2 = self.self_attn(q, k, value=tgt, attn_mask=tgt_mask,
                          key_padding_mask=tgt_key_padding_mask)[0]#自注意力计算
    tgt = tgt + self.dropout1(tgt2)#残差连接
    tgt = self.norm1(tgt)#层归一化
    tgt2 = self.multihead_attn(query=self.with_pos_embed(tgt, query_pos),
                               key=self.with_pos_embed(memory, pos),
                               value=memory, attn_mask=memory_mask,
                               key_padding_mask=memory_key_padding_mask)[0]
    tgt = tgt + self.dropout2(tgt2)#残次连接
    tgt = self.norm2(tgt)#层归一化
    tgt2 = self.linear2(self.dropout(self.activation(self.linear1(tgt))))#feed and forward
    tgt = tgt + self.dropout3(tgt2)#残次连接
    tgt = self.norm3(tgt)#normal归一化
    return tgt

关于其多头注意力的构建与encoder是相同的，值得注意的是，detr的解码层是没有mask的。此外query的数量也是固定的。
最终，进行Transformer模型的组建：

def forward(self, src, mask, query_embed, pos_embed):
    # src: transformer输入，mask：图像掩码， query_embed：decoder预测输入embed， pos_embed：位置编码
    # flatten NxCxHxW to HWxNxC
    bs, c, h, w = src.shape
    # 获取encoder输入
    src = src.flatten(2).permute(2, 0, 1)
    # 获取位置编码
    pos_embed = pos_embed.flatten(2).permute(2, 0, 1)
    query_embed = query_embed.unsqueeze(1).repeat(1, bs, 1)
    # 获取输入掩码
    mask = mask.flatten(1)
    # torch.zeros_like:生成和括号内变量维度维度一致的全是零的内容。
    # tgt初始化，意义为初始化需要预测的目标。因为一开始不清楚需要什么样的目标，所以初始化为0，它会在decoder中
    # 不断被refine，但真正在学习的是query embedding,学习到的是整个数据集中目标物体的统计特征。而tgt在每一个epoch都会初始化。
    # tgt 也可以理解为上一层解码器的解码输出 shape=(100,N,256) 第一层的tgt=torch.zeros_like(query_embed) 为零矩阵，
    # query_pos 是可学习输出位置向量， 个人理解 解码器中的这个参数 全局共享 提供全局注意力 query_pos=(100,N,256)
    tgt = torch.zeros_like(query_embed)
    # 获取encoder输出
    memory = self.encoder(src, src_key_padding_mask=mask, pos=pos_embed)
    # 获取decoder输出，return_intermediate_dec为true时，得到decoder每一层的输出
    hs = self.decoder(tgt, memory, memory_key_padding_mask=mask,
                      pos=pos_embed, query_pos=query_embed)
    return hs.transpose(1, 2), memory.permute(1, 2, 0).view(bs, c, h, w)

完成整体Transformer的构建后，我们将backbone与Transformer一起构建为DETR模型。

DETR模型构建

再次跳转到detr.py文件，开始DETR模型的构建

model = DETR(
        backbone,
        transformer,
        num_classes=num_classes,
        num_queries=args.num_queries,
        aux_loss=args.aux_loss,
    )

DETR组合

关于DETR模型初始化组件代码：

super().__init__()
        self.num_queries = num_queries
        self.transformer = transformer
        hidden_dim = transformer.d_model  # transformer输出channel
        # decoder后再接一个全连接，输出分类结果
        self.class_embed = nn.Linear(hidden_dim, num_classes + 1)
        # 利用MLP对框进行回归
        self.bbox_embed = MLP(hidden_dim, hidden_dim, 4, 3)
        # decoder预测输入，每帧预测num_queries个目标
        self.query_embed = nn.Embedding(num_queries, hidden_dim)
        # transformer输入前处理，backbone得到的是num_channels(2048)维度的输出，需要1*1的卷积降维到hidden_dim
        self.input_proj = nn.Conv2d(backbone.num_channels, hidden_dim, kernel_size=1)
        self.backbone = backbone
        self.aux_loss = aux_loss

再DETR中，其进行了其他组件的初始化，包含分类头（使用Linear实现，输出为7个维度num_class+1) 以及通过MLP实现回归给出预测框。输出4个值分别为x，y，w，h

DETR源码学习（一）之网络模型构建_ide_20

至此，模型构建便完成了。


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