Building Vision Transformers from Scratch: A Comprehensive Guide Disclaimer: This guide assumes a foundational understanding of neural networks and the Transformer architecture. For optimal comprehension, we recommend referring to the accompanying diagram throughout the article, which visually illustrates key components and processes discussed. Research Paper Reference: arXiv:2010.11929 A Vision Transformer (ViT) is a deep learning model architecture that adapts the Transformer framework—originally developed for natural language processing (NLP)—to solve computer vision tasks. Unlike traditional models that rely on convolutional neural networks (CNNs), ViTs process images by dividing them into fixed-size patches, treating each patch as a "token" in a sequence, much like words in a sentence. The model then leverages self-attention mechanisms to capture global dependencies and spatial relationships across these patches, enabling powerful feature learning without the inductive biases of convolutional operations. How Vision Transformers Work: Image Patch Tokenization: The input image is split into a sequence of non-overlapping, fixed-size patches (e.g., 16x16 pixels). Each patch is flattened into a 1D vector and linearly projected into a higher-dimensional space, forming a patch embedding. These embeddings are treated as tokens in a sequence, similar to word embeddings in NLP. Positional Encoding: Since Transformers are permutation-invariant and do not inherently understand spatial order, positional encodings are added to the patch embeddings. These encodings inform the model about the relative or absolute positions of each patch within the image, preserving spatial structure. Class Token: A special learnable token, known as the [CLS] token, is prepended to the sequence of patch tokens. This token aggregates global information from the entire image through self-attention and is used as the primary representation for classification tasks. Transformer Encoder Blocks: The sequence of tokens (patch embeddings + positional encodings + [CLS] token) is passed through multiple layers of Transformer encoder blocks. Each block consists of: Multi-Head Self-Attention: Computes relationships between all tokens in the sequence, allowing each patch to attend to every other patch, capturing long-range dependencies. Layer Normalization and Residual Connections: Stabilize training and improve gradient flow. Feed-Forward Networks: Apply non-linear transformations to the output of the attention mechanism. Classification Head: After processing through the encoder, the final output corresponding to the [CLS] token is passed through a classifier head (typically a linear layer followed by a softmax) to produce the final prediction, such as class probabilities in image classification. Key Advantages of ViTs: Global Context Awareness: Self-attention enables the model to consider all patches simultaneously, capturing long-range dependencies that CNNs may miss. Scalability: ViTs perform exceptionally well with large-scale datasets and can be trained efficiently on massive image collections. Simplicity: The architecture is more modular and easier to understand compared to complex CNNs with hierarchical designs. Challenges and Considerations: Data Efficiency: ViTs typically require large amounts of training data to achieve competitive performance, unlike CNNs which can generalize well from smaller datasets. Computational Cost: The quadratic complexity of self-attention with respect to sequence length makes training on high-resolution images computationally demanding. Training Strategy: Pre-training on large datasets (e.g., ImageNet-21k, JFT-300M) followed by fine-tuning is essential for optimal results. In summary, Vision Transformers represent a paradigm shift in computer vision, demonstrating that the Transformer architecture can be successfully adapted to image data. By treating images as sequences of patches and leveraging self-attention, ViTs achieve state-of-the-art performance on a wide range of vision tasks, paving the way for future innovations in AI-driven visual understanding.
تُعد نماذج التحويل البصري (Vision Transformer أو ViT) خطوة ثورية في مجال الرؤية الحاسوبية، حيث تُطبّق معمارية التحويل (Transformer)، التي تم تطويرها في الأصل لمعالجة اللغة الطبيعية، على المهام المرتبطة بالصور. بدلًا من الاعتماد على الشبكات العصبية التلافيفية التقليدية (CNN)، تعمل نماذج ViT على تفكيك الصورة إلى مجموعة من القطع الصغيرة (patches)، ثم معالجتها كسلسلة من "الرموز" (tokens)، تمامًا كما يتم معالجة الكلمات في النصوص. تبدأ العملية بقطع الصورة إلى أجزاء متساوية بحجم ثابت، مثل 16×16 بكسل. كل قطعة تُحوّل إلى متجه مُدمج (embedding) يُمثل معلومات لونية وبنية مكانية مُختصرة. يتم إضافة رمز خاص يُعرف بـ "الرمز الأولي" (class token) في بداية التسلسل، وهو يُستخدم لتمثيل معلومات الصورة الكلية في النهاية. إلى جانب ذلك، تُضاف متجهات موضعية (positional embeddings) لتمكين النموذج من التمييز بين مواقع القطع المختلفة، لأن التحويل لا يملك معرفة مدمجة بالموضع مثل الشبكات التلافيفية. بعد التجهيز، تُرسل هذه السلسلة من الرموز إلى طبقة التحويل الأساسية، التي تعتمد على آلية الانتباه الذاتي (self-attention). تُتيح هذه الآلية للنموذج تقييم العلاقة بين كل قطعة وجميع القطع الأخرى في الصورة، مما يسمح له بفهم الترابطات المكانية المعقدة على مستوى واسع. على سبيل المثال، يمكن للنموذج أن يربط بين جزء من شجرة وجزء من الأوراق أو الجذور بناءً على تفاعل مساحي، وليس فقط من خلال التدرجات المحلية. تُكرر هذه العملية عبر عدة طبقات متعددة، حيث تُحسّن كل طبقة تمثيلات الرموز تدريجيًا، مع التركيز على المعلومات الأكثر أهمية. في النهاية، يُستخدم متجه "الرمز الأولي" كممثل للصورة الكاملة، ويُمرر عبر طبقة تصنيف بسيطة لتحديد الفئة (مثل "قطة"، "كلب"، إلخ) أو إجراء المهمة المطلوبة. يُعد نموذج ViT مُبهرًا من حيث الأداء، خصوصًا عند تدريبه على مجموعات بيانات ضخمة مثل ImageNet. ومع ذلك، فإن نجاحه يعتمد بشكل كبير على حجم البيانات، حيث يحتاج إلى ملايين الصور للوصول إلى أداء متفوق، مقارنة بالشبكات التلافيفية التي يمكنها التعلم بكفاءة من مجموعات بيانات أصغر. هذا التحدي دفع الباحثين إلى تطوير نماذج هجينة، مثل DeiT وSwin Transformer، التي تجمع بين مزايا التحويل والبنية التلافيفية. بشكل عام، تمثل نماذج ViT تحولًا جوهريًا في فهم كيفية معالجة الصور بالذكاء الاصطناعي، حيث تنتقل من النموذج المحلي (الذي يركز على محيط كل بكسل) إلى نموذج شامل (يُحلل العلاقة بين جميع أجزاء الصورة). هذا التحول يفتح آفاقًا جديدة في مجالات متعددة، من التعرف على الأشياء إلى تحليل الفيديو والتصوير الطبي، ويشكل أساسًا لتطوير نماذج بصرية أكثر ذكاءً وانسجامًا مع طريقة تفكير البشر.