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MAE 中的 Mask Vector：从形状、初始化到预训练与推理

1. Mask Vector 到底是什么？

论文《Masked Autoencoders Are Scalable Vision Learners》的核心任务是：

随机删除图片中的大量 patch，只让 Encoder 观察剩余 patch，再让 Decoder 重建被删除的 patch。

MAE 使用一个特殊的掩码向量（mask vector）来告诉 Decoder：

“这个位置原本存在一个 patch，但它的内容现在未知，需要预测。”

论文将每个掩码标记（mask token）描述为共享的、通过学习得到的向量。同时，MAE 的 Encoder 只处理真实的可见图像块（visible patches），mask token 只在 Decoder 中出现。

因此，首先要建立最重要的概念：

mask vector 不是缺失 patch 的内容，而是缺失 patch 的可学习占位符。\boxed{\text{mask vector 不是缺失 patch 的内容，而是缺失 patch 的可学习占位符。}}mask vector 不是缺失 patch 的内容，而是缺失 patch 的可学习占位符。​

2. Masked Patch、Mask Token 和 Mask Vector 的区别

这三个概念不能混淆。

被掩码图像块（masked patch）是原始图片中真实存在、后来被随机删除的 patch。

例如原始图片有：

[P0,P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7][P_0,P_1,P_2,P_3,P_4,P_5,P_6,P_7][P0​,P1​,P2​,P3​,P4​,P5​,P6​,P7​]

假设只保留P1P_1P1​和P3P_3P3​，那么其他 6 个 patch 都属于 masked patches。

但在 Encoder 中，它们不是被替换成某个特殊向量，而是直接被删除。论文明确说明 Encoder 不使用 mask tokens。

掩码向量（mask vector）则是模型真正保存的一个可训练参数，记为：

m\mathbf mm

掩码标记（mask token）可以理解为把这个m\mathbf mm复制到某个缺失位置后得到的 token。

因此：

一个 mask vector→复制出很多 mask tokens\boxed{\text{一个 mask vector}\rightarrow\text{复制出很多 mask tokens}}一个 mask vector→复制出很多 mask tokens​

而不是每个 masked patch 都拥有自己独立的 mask vector。

3. Mask Vector 的形状

假设 Decoder 的隐藏维度为：

DDD_DDD​

那么从数学上看：

m∈RDD\mathbf m\in\mathbb R^{D_D}m∈RDD​

官方 MAE PyTorch 实现将它保存为：

self.mask_token=nn.Parameter(torch.zeros(1,1,decoder_embed_dim))

所以张量形状是：

1×1×DD\boxed{1\times1\times D_D}1×1×DD​​

官方 MAE 的 ViT-Base、ViT-Large 和 ViT-Huge 配置都采用 512 维 Decoder，因此这些默认模型中的 mask token 参数形状为：

1×1×512\boxed{1\times1\times512}1×1×512​

官方代码同时表明，ViT-Large 的 Encoder 维度为 1024，而 Decoder 维度为 512；Encoder 输出首先通过线性层映射到 Decoder 维度，然后才加入 mask tokens。

这说明一个重要事实：

mask vector 属于 Decoder 表示空间，而不是 Encoder 表示空间。\boxed{\text{mask vector 属于 Decoder 表示空间，而不是 Encoder 表示空间。}}mask vector 属于 Decoder 表示空间，而不是 Encoder 表示空间。​

4. 为什么形状是[1, 1, 512]？

可以把它拆成：

[1, 1, 512] │ │ │ │ │ └── 一个 token 含 512 个特征 │ └────── 只有一个 mask token 参数 └───────── batch 维

真正需要模型学习的是：

m=[m1,m2,…,m512]\mathbf m=[m_1,m_2,\ldots,m_{512}]m=[m1​,m2​,…,m512​]

也就是 512 个标量。

如果一张图片有 147 个 masked patches，并不意味着模型学习：

147×512147\times512147×512

套独立参数。

它只学习一个：

m\mathbf mm

然后重复使用。

5. “Shared” 到底是什么意思？

假设一张224×224224\times224224×224图片使用16×1616\times1616×16patch。

patch 总数：

L=22416×22416=14×14=196L=\frac{224}{16}\times\frac{224}{16}=14\times14=196L=16224​×16224​=14×14=196

MAE 的典型 masking ratio 为 75%，因此：

Lvisible=196×0.25=49L_{\text{visible}}=196\times0.25=49Lvisible​=196×0.25=49

Lmasked=196−49=147L_{\text{masked}}=196-49=147Lmasked​=196−49=147

论文的默认设置就是 75% masking ratio，并使用 512 维 Decoder。

对于这 147 个缺失位置，模型不是学习：

m1,m2,…,m147\mathbf m_1,\mathbf m_2,\ldots,\mathbf m_{147}m1​,m2​,…,m147​

而是使用：

m,m,…,m⏟147 次\underbrace{\mathbf m,\mathbf m,\ldots,\mathbf m}_{147\text{ 次}}147 次m,m,…,m​​

所以共享（shared）的准确含义是：

同一张图片的所有 masked positions、不同图片的 masked positions，都使用同一个可训练参数m\mathbf mm。

6. Mask Vector 如何初始化？

这里要区分“论文描述”和“官方代码实现”。

论文说明它是可学习向量（learned vector），但方法部分并没有指定它必须按照什么概率分布初始化。

官方 PyTorch 实现首先创建全零参数张量：

self.mask_token=nn.Parameter(torch.zeros(1,1,decoder_embed_dim))

随后在模型初始化函数中执行：

torch.nn.init.normal_(self.mask_token,std=.02)

因此真正开始训练时，每个维度近似满足：

mj∼N(0,0.022)m_j\sim\mathcal N(0,0.02^2)mj​∼N(0,0.022)

也就是说：

创建时先是零张量，正式训练前再用标准差 0.02 的正态随机数初始化。\boxed{\text{创建时先是零张量，正式训练前再用标准差 0.02 的正态随机数初始化。}}创建时先是零张量，正式训练前再用标准差 0.02 的正态随机数初始化。​

刚初始化时，这些数字没有“狗”“天空”“汽车”等视觉语义，它只是一个待优化的小随机向量。

7. Mask Vector 在 Encoder 中出现吗？

不出现。

这是 MAE 与很多容易产生的直觉最不一样的地方。

假设：

[P0,P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7][P_0,P_1,P_2,P_3,P_4,P_5,P_6,P_7][P0​,P1​,P2​,P3​,P4​,P5​,P6​,P7​]

只保留：

P1,P3P_1,P_3P1​,P3​

Encoder 实际处理的是：

[P1,P3][P_1,P_3][P1​,P3​]

而不是：

[m,P1,m,P3,m,m,m,m][\mathbf m,P_1,\mathbf m,P_3,\mathbf m,\mathbf m,\mathbf m,\mathbf m][m,P1​,m,P3​,m,m,m,m]

论文明确采用非对称编码器—解码器（asymmetric encoder-decoder）：Encoder 只处理 visible patches，而完整 token 集合只交给较轻量的 Decoder。这样既减少计算量，也避免 Encoder 在预训练阶段依赖下游完整图片中不存在的 mask tokens。