self-attention(自注意力) 和 cross-attetion(交叉注意力) 中的差异

发布于:2024-08-01 ⋅ 阅读:(209) ⋅ 点赞:(0)

self attention(自注意力)

在这里插入图片描述
来源: https://arxiv.org/pdf/1706.03762

计算实现:
1.计算出 score = Q K T \text{score} =QK^T score=QKT
2.计算 attention = s o f t m a x ( score ) \text{attention}=softmax(\text{score}) attention=softmax(score)
3. 计算 weighted = a t t e n t i o n ∗ V \text{weighted}=attention*V weighted=attentionV

1.计算复杂度是
O ( L 2 ) O(L^2) O(L2)
2.因为需要计算 LXL 的 注意力矩阵

softmax ( Q K T d ) \text{softmax}\left(\frac{QK^T}{\sqrt{d}}\right) softmax(d QKT)

完整公式

self_attention ( Q , K , V ) = softmax ( Q K T d ) \text{self\_attention}(Q, K, V)=\text{softmax}\left(\frac{QK^T}{\sqrt{d}}\right) self_attention(Q,K,V)=softmax(d QKT)
在这里插入图片描述
来源:https://arxiv.org/pdf/2009.14794

代码实现:

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

class SelfAttention(nn.Module):
    def __init__(self, input_dim):
        super(SelfAttention, self).__init__()
        self.input_dim = input_dim
        # 定义线性变换层,用于计算查询、键和值
        self.query = nn.Linear(input_dim, input_dim)  # [batch_size, seq_length, input_dim]
        self.key = nn.Linear(input_dim, input_dim)    # [batch_size, seq_length, input_dim]
        self.value = nn.Linear(input_dim, input_dim)  # [batch_size, seq_length, input_dim]
        self.softmax = nn.Softmax(dim=2)  # 注意力权重的softmax函数,沿着最后一个维度进行

    def forward(self, x):  # x的形状为 (batch_size, seq_length, input_dim)
        queries = self.query(x)  # 计算查询矩阵
        keys = self.key(x)       # 计算键矩阵
        values = self.value(x)   # 计算值矩阵

        # 计算注意力得分
        score = torch.bmm(queries, keys.transpose(1, 2)) / (self.input_dim ** 0.5)
        attention = self.softmax(score)  # 对得分应用softmax函数得到注意力权重
        weighted = torch.bmm(attention, values)  # 使用注意力权重加权值矩阵
        return weighted  # 返回加权后的值矩阵

Cross Attention(交叉注意力)

在这里插入图片描述
这张图片展示了交叉注意力模块的工作原理。

交叉注意力模块

  • 输入:

    • “What?”:这是表示“内容”的输入序列,包含值(Value,(V))和键(Key,(K))。
    • “Where?”:这是表示“位置”的输入序列,包含查询(Query,(Q))。
  • 计算过程:

    • 从“内容”输入序列中提取出值 (V) 和键 (K)。
    • 从“位置”输入序列中提取出查询 (Q)。
    • 计算查询 (Q) 和键 (K) 的点积,得到注意力能量(Attention energy)。
    • 将注意力能量除以 (\sqrt{C/h}),其中 (C) 是键的维度,(h) 是注意力头的数量,用以进行缩放。
    • 对缩放后的注意力能量应用 softmax 函数,得到注意力权重。
    • 将注意力权重应用到值 (V) 上,得到输出上下文(Output context)。

数学公式:

Cross_attention ( Q , K , V ) = Softmax ( Q K T C / h ) ⋅ V   \text{Cross\_attention}(Q, K, V) = \text{Softmax}\left(\frac{QK^T}{\sqrt{C/h}}\right) \cdot V \ Cross_attention(Q,K,V)=Softmax(C/h QKT)V 

  • 解释:
    • ( Q ):查询矩阵。
    • ( K ):键矩阵。
    • ( V ):值矩阵。
    • (\text{Softmax}):softmax 函数,用于将注意力能量转换为概率分布。
    • ( \sqrt{C/h} ):缩放因子,控制注意力能量的大小。

代码实现

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import math

class CrossAttention(nn.Module):
    def __init__(self, n_heads, d_embed, d_cross, in_proj_bias=True, out_proj_bias=True):
        super().__init__()
        # 定义线性变换层,用于计算查询、键和值
        self.q_proj   = nn.Linear(d_embed, d_embed, bias=in_proj_bias)
        self.k_proj   = nn.Linear(d_cross, d_embed, bias=in_proj_bias)
        self.v_proj   = nn.Linear(d_cross, d_embed, bias=in_proj_bias)
        self.out_proj = nn.Linear(d_embed, d_embed, bias=out_proj_bias)
        self.n_heads = n_heads  # 注意力头的数量
        self.d_head = d_embed // n_heads  # 每个注意力头的维度
    
    def forward(self, x, y):
        # x (潜在表示): (batch_size, seq_len_q, dim_q)
        # y (上下文): (batch_size, seq_len_kv, dim_kv) = (batch_size, 77, 768)

        input_shape = x.shape
        batch_size, sequence_length, d_embed = input_shape
        
        # 将每个查询的嵌入向量划分为多个头,确保 d_heads * n_heads = dim_q
        interim_shape = (batch_size, -1, self.n_heads, self.d_head)
        
        # 计算查询矩阵 (batch_size, seq_len_q, dim_q) -> (batch_size, seq_len_q, dim_q)
        q = self.q_proj(x)
        # 计算键矩阵 (batch_size, seq_len_kv, dim_kv) -> (batch_size, seq_len_kv, dim_q)
        k = self.k_proj(y)
        # 计算值矩阵 (batch_size, seq_len_kv, dim_kv) -> (batch_size, seq_len_kv, dim_q)
        v = self.v_proj(y)

        # 将查询矩阵重塑并转置以匹配注意力头 (batch_size, seq_len_q, dim_q) -> (batch_size, seq_len_q, h, dim_q / h) -> (batch_size, h, seq_len_q, dim_q / h)
        q = q.view(interim_shape).transpose(1, 2) 
        # 将键矩阵重塑并转置以匹配注意力头 (batch_size, seq_len_kv, dim_q) -> (batch_size, seq_len_kv, h, dim_q / h) -> (batch_size, h, seq_len_kv, dim_q / h)
        k = k.view(interim_shape).transpose(1, 2) 
        # 将值矩阵重塑并转置以匹配注意力头 (batch_size, seq_len_kv, dim_q) -> (batch_size, seq_len_kv, h, dim_q / h) -> (batch_size, h, seq_len_kv, dim_q / h)
        v = v.view(interim_shape).transpose(1, 2) 
        
        # 计算注意力得分 (batch_size, h, seq_len_q, dim_q / h) @ (batch_size, h, dim_q / h, seq_len_kv) -> (batch_size, h, seq_len_q, seq_len_kv)
        weight = q @ k.transpose(-1, -2)
        
        # 缩放注意力得分 (batch_size, h, seq_len_q, seq_len_kv)
        weight /= math.sqrt(self.d_head)
        
        # 对注意力得分应用softmax函数 (batch_size, h, seq_len_q, seq_len_kv)
        weight = F.softmax(weight, dim=-1)
        
        # 计算加权后的值矩阵 (batch_size, h, seq_len_q, seq_len_kv) @ (batch_size, h, seq_len_kv, dim_q / h) -> (batch_size, h, seq_len_q, dim_q / h)
        output = weight @ v
        
        # 将输出矩阵转置回原始形状 (batch_size, h, seq_len_q, dim_q / h) -> (batch_size, seq_len_q, h, dim_q / h)
        output = output.transpose(1, 2).contiguous()
        
        # 将输出矩阵重塑回原始形状 (batch_size, seq_len_q, h, dim_q / h) -> (batch_size, seq_len_q, dim_q)
        output = output.view(input_shape)
        
        # 应用最后的线性变换 (batch_size, seq_len_q, dim_q) -> (batch_size, seq_len_q, dim_q)
        output = self.out_proj(output)

        # 返回最终的输出 (batch_size, seq_len_q, dim_q)
        return output

代码来源
https://github.com/hkproj/pytorch-stable-diffusion/blob/main/sd/attention.py


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