QuadMamba: Learning Quadtree-based Selective Scan for Visual State Space Model

四叉树 计算机科学 空格(标点符号) 人工智能 状态空间 计算机视觉 国家(计算机科学) 计算机图形学(图像) 算法 数学 统计 操作系统
作者
Fei Xie,Weijia Zhang,Zhongdao Wang,Chao Ma
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2410.06806
摘要

Recent advancements in State Space Models, notably Mamba, have demonstrated superior performance over the dominant Transformer models, particularly in reducing the computational complexity from quadratic to linear. Yet, difficulties in adapting Mamba from language to vision tasks arise due to the distinct characteristics of visual data, such as the spatial locality and adjacency within images and large variations in information granularity across visual tokens. Existing vision Mamba approaches either flatten tokens into sequences in a raster scan fashion, which breaks the local adjacency of images, or manually partition tokens into windows, which limits their long-range modeling and generalization capabilities. To address these limitations, we present a new vision Mamba model, coined QuadMamba, that effectively captures local dependencies of varying granularities via quadtree-based image partition and scan. Concretely, our lightweight quadtree-based scan module learns to preserve the 2D locality of spatial regions within learned window quadrants. The module estimates the locality score of each token from their features, before adaptively partitioning tokens into window quadrants. An omnidirectional window shifting scheme is also introduced to capture more intact and informative features across different local regions. To make the discretized quadtree partition end-to-end trainable, we further devise a sequence masking strategy based on Gumbel-Softmax and its straight-through gradient estimator. Extensive experiments demonstrate that QuadMamba achieves state-of-the-art performance in various vision tasks, including image classification, object detection, instance segmentation, and semantic segmentation. The code is in https://github.com/VISION-SJTU/QuadMamba.
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