如何用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GNN）做CV的研究

用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GNN）做CV的研究有不少，但通常是圍繞點(diǎn)云數(shù)據(jù)做文章，少有直接處理圖像數(shù)據(jù)的。其實(shí)與CNN把一張圖片看成一個(gè)網(wǎng)格、Transformer把圖片拉直成一個(gè)序列相比，圖方法更適合學(xué)習(xí)不規(guī)則和復(fù)雜物體的特征。

近期中科院與華為諾亞方舟實(shí)驗(yàn)室等提出一種全新的骨干網(wǎng)絡(luò)，把圖片表示成圖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，讓GNN也能完成經(jīng)典CV三大任務(wù)。

該論文引起GNN學(xué)者廣泛關(guān)注。有人認(rèn)為GNN領(lǐng)域積累多年的技巧都將涌入這一新方向，帶來(lái)一波研究熱潮。

在研究團(tuán)隊(duì)看來(lái)，圖結(jié)構(gòu)是一種更通用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。甚至網(wǎng)格和序列可以當(dāng)作圖結(jié)構(gòu)的特例，用圖結(jié)構(gòu)來(lái)做視覺(jué)感知會(huì)更加靈活。圖數(shù)據(jù)由節(jié)點(diǎn)和邊組成，如果把每個(gè)像素都看作節(jié)點(diǎn)計(jì)算難度過(guò)于大了，因此研究團(tuán)隊(duì)采用了切塊（patch）方法。

對(duì)于224x224分辨率的圖像，每16x16像素為一個(gè)Patch，也就是圖數(shù)據(jù)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，總共有196個(gè)節(jié)點(diǎn)。對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)搜索他們距離最近的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成邊，邊的數(shù)量隨網(wǎng)絡(luò)深度而增加。接下來(lái)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為兩部分：一個(gè)圖卷積網(wǎng)絡(luò)（GCN），負(fù)責(zé)處理圖數(shù)據(jù)、聚合相鄰節(jié)點(diǎn)中的特征。一個(gè)前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（FFN），結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單是兩個(gè)全連接層的MLP，負(fù)責(zé)特征的轉(zhuǎn)換。

傳統(tǒng)GCN會(huì)出現(xiàn)過(guò)度平滑現(xiàn)象，為解決這個(gè)問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)在圖卷積層前后各增加一個(gè)線性層，圖卷積層后再增加一個(gè)激活函數(shù)。

實(shí)驗(yàn)表明，用上新方法，當(dāng)層數(shù)較多時(shí)ViG學(xué)習(xí)到的特征會(huì)比傳統(tǒng)ResGCN更為多樣。

為了更準(zhǔn)確評(píng)估ViG的性能，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了ViT常用的同質(zhì)結(jié)構(gòu)（isotropic）和CNN常用的金字塔結(jié)構(gòu)（Pyramid）兩種ViG網(wǎng)絡(luò)，來(lái)分別做對(duì)比實(shí)驗(yàn)。同質(zhì)架構(gòu)ViG分為下面三種規(guī)格。

與常見(jiàn)的同質(zhì)結(jié)構(gòu)CNN、ViT與MLP網(wǎng)絡(luò)相比，ViG在同等算力成本下ImageNet圖像分類的表現(xiàn)更好。金字塔結(jié)構(gòu)的ViG網(wǎng)絡(luò)具體設(shè)置如下。

同等算力成本下，ViG也與最先進(jìn)的CNN、ViT和MLP相比，性能也能超越或表現(xiàn)相當(dāng)。

在目標(biāo)檢測(cè)和實(shí)例分割測(cè)試上，ViG表現(xiàn)也與同等規(guī)模的Swin Transformer相當(dāng)。

最后，研究團(tuán)隊(duì)希望這項(xiàng)工作能作為GNN在通用視覺(jué)任務(wù)上的基礎(chǔ)架構(gòu)，Pytorch版本和Mindspore版本代碼都會(huì)分別開(kāi)源。