2022年人体姿态估计SOTA方案ViTPose论文解读

一周前开源的基于ViT的人体姿态估计SOTA方案，其实论文放出来有些时间了，在paperswithcode的榜单上排所以被大家关注到，近花时间研读了一下。

0. 前言

ViT制霸CV领域已是不争的事实，基于ViT的姿态估计模型也已经出了不少，如PRTR、TokenPose、HRFormer等，它们有的使用了级联策略来逐层refine关键点，有的只使用了Transformer编码器用于对CNN特征进行学习，或者通过模仿HRNet结构，将Transformer作为一个学习能力更强的模块替换使用。

用作者的话来说，它们要么需要CNN来提特征，要么对网络结构进行了复杂的设计，但是通过之前很多工作（ViTDet、MAE等）我们知道，纯ViT实际上潜力是非常巨大的，只不过需要庞大的计算量和数据量支撑。所以很自然地，秉承着Money is all you need的原则，这篇文章探索了纯ViT结构在姿态估计任务上的表现，并且再一次证明了只要算力足够，纯ViT还是能够大力出奇迹。

1. 文章贡献

其实对于这种大佬烧钱做实验，把结论免费告诉我们的工作我都是很尊敬的，尤其是纯ViT训练这种一般人玩不起的实验。

本文声明的贡献主要有三点：

1. 实验了纯ViT用于人体姿态估计，在COCO数据集上取得了SOTA表现。
2. 验证了纯ViT所具有的诸多良好特性：结构简单、模型规模容易扩展、训练灵活、知识可迁移。
3. 在多个benchmark上进行了实验和分析。

由于本文很多内容与之前Kaiming组的工作ViTDet相似，本文的很多实验和设置也follow了ViTDet，因此我在本篇笔记中也会引用一些ViTDet中的观点和结论。

2. 核心思想

这篇论文的核心出发点其实与ViTDet是相似的，简单来说都是相信原始的ViT有很高的学习能力上限，不需要加那么多花里胡哨的设计、做那么多复杂的改进，也能学出足够高质量的特征。这里的“复杂设计”包括了：用CNN作为Backbone提取特征、效仿CNN的层次化设计改进ViT、效仿HRNet在结构上维持高分辨率特征等等。

尤其是ViTDet工作中提出的一个观点：认为ViT由于减少了归纳偏置，通过更大的数据量，不仅能学到具有变换等变(translation equivariant)的特征，还能学到具有尺度等变(scale equivariant)的特征。

翻译成人话就是：直接用ViT学来的后一层特征，对它做简单的上下采样，就能作为不同尺度上的特征使用。而不必像传统CNN那样从不同的stage抽特征，也不必像FPN那样做top-down和bottom-up的不同尺度特征融合。

姿态估计作为关键点检测任务的一种，在设计思想上与目标检测任务其实很多地方都是大同小异的，所以很自然地也可以沿用上述观点。

因此，本文使用的网络结构也就是简单粗暴的方案，直接用纯ViT作为编码器进行特征学习，对学到的特征用简单的解码器解码获得关键点预测结果。

至于本文所声明的ViTPose的诸多特性：simplicity、scalability、flexibility、transferability，其实说白了都是ViT自身本来就具有的特性，本文的实验只是再一次验证了其有效。为了避免赘述，下面我只对我感兴趣的一些细节进行记录。

3. 实验细节

Simplicity

既然ViTDet证明了ViT学到的特征具有尺度等变性，能用ViT输出的特征上采样和下采样构建一个FPN，那么在姿态估计任务中对ViT学到的特征上采样得到heatmap也是一件很自然的事情。

而上采样的策略也很自然地可以设计出两种：传统的转置卷积上采样，和简单粗暴的双线性插值上采样。

转置卷积上采样：

这两种上采样策略在本质上区别也并不大，只不过是激进和非常激进的区别，依托于ViT学到的强大的特征。

用我个人的话来总结是：因为ViT学到的特征足够好，所以解码器部分就可以越简单越好了，哪怕是用线性插值这么极端的上采样也还是能取得足够好的表现。

实验结果也表明，传统CNN学到的特征是经不起这么激进的上采样折腾的，但ViT可以，使用线性上采样的解码器相比于转置卷积的方案掉点非常有限：

Scalability

由于ViTPose仅使用了纯ViT结构，因此良好的扩展性是必然的，只需要调整Transformer模块的堆叠层数即可。ViT的强大之处在于，只要你的数据量和计算力足够大，Transformer层数堆得越多性能越好，暂时还没有看到明显的饱和。

Flexibility

在姿态估计任务上，MAE方法同样可以产生收益，本文探索了在不同数据集上进行预训练对模型性能的影响，实验结果证明，在姿态估计数据集上进行MAE预训练得到的模型，尽管数据量只有ImageNet一半，依然能取得差不多的性能表现。这告诉我们，只要数据集够大，在自己的数据上用MAE做预训练就可以了，没必要再依赖ImageNet数据。

而不同的输入图片尺寸，或调整patchify策略得到不同的特征图尺寸，实验表明都表现出分辨率越高性能越好的特点。

Transferability

在知识的迁移上，除了让教师网络和学生网络的输出特征进行蒸馏，本文提出还可以基于token进行蒸馏。

要达成这个，做法上稍微需要麻烦一点，要对训练好的教师网络增加可学习的token，冻住其他参数后finetune学习token，然后再用学好的教师token跟学生token进行蒸馏。

简单来说，除了图片patch经过网络后对应的特征外，还可以通过引入可学习的token，对两个网络的token进行蒸馏学习，实验表明，两种蒸馏得到的知识是可以互补的，能叠加产生收益：

4. 结论

经过诸多的优良特性叠加，以及庞大的计算力支撑后，ViTPose成功将COCO上的指标刷到了AP 81.1，但我觉得需要特别指出的是，实际上ViTPose单个模型取得的精度为AP80.9，81.1是三个模型集成后的效果，而取得这一精度的前提是，MAE上的预训练1600epochs，加上210epochs的finetune。

所以总体而言，这是一篇实验内容充分，但普通人只能看看的工作，能帮助我们了解更多ViT的特性，而不是落地和实用。无可否认，这是研究的价值，所以我认为这是一篇好的工作，但依然不能取代归纳偏置、层次化设计的价值，不必花费1600+210epochs来换取3个点AP的提升，我觉得这恰好说明了CNN和层次化设计在工程落地中的意义。

后是一点个人展望，其实从近两年的工作和互联网行业的风向都可以看出，深度学习的热潮正在归于平静，工程落地和实用性越来越重要，当前的ViT在这一方面还是略有欠缺，ViT还不是终点，我预感在未来一到两年内应该就能出现足够革命性的优雅的结构，就像分离卷积之于CNN一样，让Transformer真正变成cv领域的标配。

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