【VCED】Clip模型

CLIP 模型

CLIP模型将原有的图像标签替换为图像的文本描述信息，来监督视觉任务的训练，在下游任务中得到了较好的zero-shot的结果。

该模型将图像分类问题转换为图文匹配问题，在下游任务（以图像分类为例）的实现中，我们需要先基于图像标签集合，构造text prompt并将其通过clip的text encoder获得文本编码向量，之后，将图片通过image encoder获得图像编码向量。

对于每张图片，我们需要计算它与所有text prompt之间的距离（通过计算图像编码向量与文本编码向量之间的余弦相似度或点积得到），选择距离最近的text prompt所对应的标签作为该张图片的分类标签。这样的转换使得模型在zero-shot场景下可以获得与监督学习比肩的效果，除此之外，clip模型可广泛应用到图像检索，视频理解，图像生成等其他领域。接下来我们对CLIP模型进行简单的介绍。

原理介绍

前置原理介绍

先从简单的CV模型VGG 说起，VGG 模型将多个块进行堆叠，实现了当时人脸识别 state of the art 的结果。

后续研究神经网络模型层间特征图可视化的工作表明，模型最前端的神经网络层倾向于提取一些普遍的、共有的视觉特征，如纹理、边缘等信息。越往后则越倾向于任务相关的特征。涉及计算机视觉图像分类的模型，在特征提取功能上，更多的依赖模型的前端的神经层，而将特征映射到标签的功能则更多的依赖于模型末端的神经层。

也就是说，越靠近输出的神经网络层越具有任务相关性。NLP领域的第三范式(pre-trained + fine tune)便是采用了这种思想。语言模型在大规模语料上进行预训练之后，便具有了强大的语义表征能力。将PLM接上后续任务相关的神经网络层进行微调，便可以在下游任务中获得更好的效果。

一般情况下，倘若我们要实现一个猫狗图像二分类的任务，一个简单的想法就是对猫狗数据集分别打上对应的标签，进行监督学习。但同时，我们也可以通过对比学习的方法来实现：简单来说，就是不再将所有的猫（或狗）的图像通过神经网络分别映射到对应的标签，而是在经过神经网络处理之后，让原本属于同一类别的特征向量之间的距离尽可能接近，让原本不属于同一类别的特征向量之间的距离尽可能拉远。

以DPR(dense passage retrieval)为例，在 in-batch negatives 负采样中，对于单个问题，模型将其对应的标准答案作为正例（距离应尽可能接近），将其他问题的答案作为负例（距离应尽可能拉远）来优化dual encoder，取得了较好的效果。

BERT 模型的预训练任务主要为模拟人类的完形填空任务，在这种预训练方法下，模型需要同时关注上下文间的信息，从而得出当前位置的 token。另一种较强的 NLP模型GPT，则使用了自回归的方法来训练，也就是说，模型仅可通过当前位置之前的字段来推理当前位置的 token。在这之后，UniLM 模型将两种注意力矩阵机制联合起来进行训练。Encoder-Decoder 是 NLP 领域普遍使用的框架，但这块内容与 multimodal 部分关系不大，在此不过多赘述。但可以参考的是，如果我们能够将图像信息和语义信息（或者其他模态的信息）映射到同一空间后，再进行联合优化训练，那么从某种程度上来说来说，模型可以在多种模态之间建立联系。

Clip原理介绍

Clip(Contrastive Language-Image Pretraining) 将语言信息和图像信息联合训练，实现了在下游任务上 zero-shot（Zero-shot learning 指的是在没有当前类别的训练样本的情况下，让模型学习到一个映射关系可以将这个样本映射到原有的向量空间，再通过向量空间中距离判断的方式推断出当前没有看过的样本可能会属于哪一类别） 的能力。具体来说，CLIP将图像的分类任务转化为了图文匹配的任务，将图像信息和语义信息映射到同一多模态语义空间下，再使用对比学习的方法进行训练。

在预训练阶段，模型的数据来源为从互联网上搜集的4亿个（图像，文本）对。假设batch中有N个（图像，文本）对，那么我们便可以得到N个文本向量，记为：t1,t2,…,tn,以及N个图像向量，记为img1,img2,…,imgn。我们需要做的就是让t(i)与img(i)之间的语义距离尽可能接近，而与其他的img之间的距离尽可能拉远。如果我们将其看为一个矩阵，其中横轴方向为文本，纵轴方向为图像，且文本、图像的标号均按照次序排列，那么我们就可以得到一个N * N的方阵，方阵的每个元素(i,j)的位置为t(i)与img(j)之间的语义相似度，相似度可通过余弦或点积的方式获得。我们的优化目标就是让对角线上的元素的值尽可能的大，而其余部分的值尽可能地小。

在zero shot阶段，我们可以根据上下文语义建立prompt模板，并将标签集合映射到该模板中，得到prompt text模板。比方说，现在我们需要做对(大象，冰箱，蚂蚁)的三分类任务，prompt模板为 “这是一张有关{类别}的照片”，将分类标签映射到prompt模板后可以得到集合：{“这是一张有关大象的照片”“这是一张有关冰箱的照片”“这是一张有关蚂蚁的照片”}。对集合中的文本，通过clip的text encoder之后，便可以得到三个类别对应的文本特征向量，之后，对于每一张需要分类的图片，我们只需要比较该图片的特征向量与三个类别对应的文本特征向量之间的语义距离，并选择最近的那一条文本所对应的标签作为图像的分类结果。
具体细节可参考论文《Learning transferable visual models from natural language supervision》。

其他多模态模型介绍

限于篇幅原因，这里仅介绍目前较火的扩散模型(diffusion model)。

在图文生成领域，广为人知的模型有VAE，GAN等。最近大火的diffusion model则使用了一种非常有趣的思想来做生成任务。在此仅对其做简单介绍，不涉及理论公式部分。

先假设这样一个场景，在咖啡拉花的时候，比如我们现在做了一个图案，假设我们将其放在那里静置，一段时间后图案就会慢慢扩散，最后变得一团糟。如果在扩散过程中，我们一直观察这这杯咖啡，就会发现：在静置的前几分钟，虽然图案已经有了一点点变化，但是我们还是可以很轻松的在大脑中从现有较为模糊的图案中恢复出最开始的图案。随着时间一点点的推移，图案变得越来越模糊，从中恢复出最开始的图案变得越来越困难，最后图案和咖啡混合在一起。

反过来想这个问题，我们能不能从最后的“图案和咖啡混合在一起”的状态，推出最初的图案呢？我们可以将拉花扩散的过程看成是“加噪”的过程，而将反向的恢复过程看成是“去噪”的过程，这样一来，只要我们能够从“加噪”过程中学习到一定的规律，那么我们就有可能在“去噪”过程中“逐步”恢复出最开始的图案。这是对扩散模型的一个非常浅显直观的认识，具体细节可参考相关系列论文。

Clip如何进行预训练：

输入：图片+文字的配对

进入Encoder，生成特征

在特征上作对比学习

特征矩阵里获得正样本和负样本

训练集：4亿个图片和文本的配对，数据集清理的非常好。

Prompt template

Clip这篇论文后面提出了prompt engineering和prompt ensemble两种方式来提高模型的准确率。

识别图片的机制，是用图片给到图片编码器，再去和ImageNet的1000个分类词做相关性匹配，把相关性最大的词挑出来，即完成分类。

Clip的有趣应用:

生成图
物体分割和检测
视频检索（可以做OCR了）
。。。

因为迁移性好，就可以摆脱基础类的限制

论文标题：利用自然语言的监督信号，训练迁移性好的视觉网络

12个作者全部来自OpenAI

不需要特定领域的数据（或者少量数据）就可以实现很好的效果

大规模的没有标注的数据就可以拿来训练。

CONVIRT和CLIP非常像了，但只在医疗图像上做。

之前的那些方法没有这么大的数据集，没有这么多的算力， 没有这么大的模型，没有这么好的自监督训练的方式， 所以大家的效果都不好（特别是zero-shot）

Mahajan et al.(2018)搜集了Ins的图片+标签来作为数据集。【给了CLIP启发】

之前的这些方法，和借助NLP去学习图像表征的方法，最大的区别在规模（数据的规模和模型的规模）

accelerator year：加速器年，一种衡量算力的计算逻辑，方便做训练量对比。

CLIP论文里，把借助NLP去学习图像表征的方法们(Mahajan et al.(2018)、CONVIRT这些)，规模给搞上去！

CLIP这个模型，想法简单，实现高效，性能在各个数据集上又好，泛化性也不错。

CLIP如何预训练：

transformer出来后，NLP那边彻底革命了，出现了Deep contextual representation learning，就是具备上下文语义环境的学习方式。在这种自监督学习的范式下，NLP可以使用上取之不尽用之不竭的文本监督信号了。

为多模态的训练铺平了道路。

用自然语言信号来训练视觉模型，好处非常多

你不需要再去标注这些数据了（这个过程很复杂），现在只需要去网上下载图片文字的配对，别的都不需要做，数据的规模很容易就变大。而且，因为监督信号是文本，比起N选1的标签，模型输入输出的自由度会大很多。
由于训练的时候把图片和文字绑到了一起，所以学到的是一个多模态的特征，而不只是一个视觉特征。和语言联系在一起后，就很容易做zero-shot的迁移学习了。但如果只是做一种单模态的自监督学习的话，你都只能学到视觉的特征，而无法和自然语言联系到一起，这样还是很难去做zero-shot的迁移。

由于没有符合OpenAI要求的大数据集，选择自己做一个，这个新的大数据集不光带来了CLIP，还有DallE

4亿的数据集名称：WIT（WebImageText）

由于训练量太大，所以训练效率至关重要，

把训练任务变成对比任务，训练效率提高了4倍

如何在很多的GPU上去训练超级大的模型

为什么要做Zero-shot Transfer，训练一个又大又好的模型，就可以不再训练或者不再微调。

Prompt engineering

为什么要做：

Prompt的多义性
预训练时基本都是一个句子，很少是一个单词，可如果做推理的时候，输入只是单词，抽取出来的特征可能就不好
CLIP的解决方案：Prompt template：“A photo of a {label}”

使用了这个template后，准确度提升了1.3%

如果提前知道一些信息，对于zero-shot推理非常有帮助，比如：对于食物的训练集，“a type of food”

用了80个提示词模板，最后emsemble起来，

Linear Probe，冻住主体，抽特征，只微调分类头

对于难的任务，需要做few-shot迁移学习

fine-tune 微调

CLIP和人类的对比

37类狗的数据集，人类还是打不过CLIP

37类狗的种类数据单独拉出来

可以发现，人类觉得容易的，CLIP表现也好。人类觉得难的，CLIP也觉得难

CLIP强，但没有那么强。如果想要在ImageNet上面达到头部算法的效果，还需要扩大1000倍的训练量，这是OpenAI都无法支撑的。

在有些数据集上Zero-shot也不行

对于抽象和难的任务效果也不好

CLIP的效果还是依赖于4亿的图片集，MNIST是几十年前提出的小数据集，CLIP的表现就很差，原因是训练数据内并没包含MNIST的图片。

第七个局限性：爬下来的4亿个图片文字集，没有经过清洗和过滤过，导致CLIP模型会带有社会的偏见。

Clip的研究动机，就是因为在NLP领域，利用大规模数据去预训练模型，而且用跟下游任务无关的训练方式（比如完形填空），在这两种工具的加持下，NLP获得了革命性的成功，比如GPT-3。

所以希望把NLP方面的成功复制到其他领域内，比如说视觉。应用了之后，发现效果确实不错。

CLIP工作最大的贡献，在于打破了固定种类标签的范式。