谷歌最新多模态模型CoCa，多项任务取得SOTA效果，ImageNet达到91.0%

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来自：圆圆的算法笔记

作者：Fareise

最近谷歌提出了最新多模态预训练方法CoCa，在图像分类、图文检索、看图说话、VQA等多个任务都取得了SOTA效果。CoCa可以说融合了历史图像模型、多模态模型训练范式为一体，融合了多种训练范式的优点，具有非常广泛的适用场景。同时，模型的核心结构和设计思路也比较优雅简洁。下面带大家了解一下这篇谷歌最新多模态工作。

论文标题：CoCa: Contrastive Captioners are Image-Text Foundation Models

下载地址：https://arxiv.org/pdf/2205.01917.pdf

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Vision-Language的3种模型

文中首先概括了目前解决图像或多模态问题的3种经典结构，分别是single-encoder model、dual-encoder model、encoder-decoder model。而CoCa融合了这3种模型各自的优势。

• Single-encoder model：这指的最基本的图像分类模型，只有一个图像encoder，通过这个encoder生成图像表示，将表示映射到各个类别中实现图像分类。这种方法已经在CV领域经过多年研究，通过在大量图像上训练图像encoder，再迁移到下有任务的模式，取得了非常出色的效果。然而它的问题在于，需要依赖大规模人工标注样本，并且由于拟合的目标为类别标签，无法使用自然语言信息，无法解决vision-language等多模态问题。

• Dual-encoder model：指的是CLIP这一条线上的研究。利用海量从网络上搜集的图像-文本pair对，利用一个image encoder和一个text encoder分别对图像和文本独立编码，再以对比学习为优化目标训练模型（CLIP细节可以参考历史文章如何发挥预训练CLIP的最大潜力？）。CLIP模型在zero-shot图像分类任务，以及图文匹配和检索等问题上取得出色成绩，但是由于CLIP是图像和文本独立编码，且编码过程中并没有任何图像和文本侧的交叉，只在最后计算cosine相似度，缺少图像和文本的融合表示，因此不适用于VQA等需要对图像和文本联合理解的任务（在我们上期更新的微软亚研院的工作，利用prompt的方法使CLIP也在VQA上取得不错的效果）。

• Encoder-decoder model：这种模型使用encoder-decoder的结构，encoder侧对图像进行编码，在decoder侧学习一个跨模态的语言模型，预测图像对应的文本。这种生成式方法天然适用于看图说话任务，并且图像和文本在encoder-decoder的attention交互有助于融合多模态信息，适用于多模态理解相关任务。而缺点在于，没有像CLIP一样生成单独的文本表示，不能灵活应用到图文匹配任务中。

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CoCa核心结构

CoCa融合了上面3种模型结构，既能生成图像侧和文本侧独立的表示（CLIP），又能进行更深层次的图像、文本信息融合以及文本生成（Encoder-decoder），适用于更广泛的任务。

CoCa的整体结构包括3个部分：一个encoder（Image Encoder）和两个decoder（Unimodal Text Decoder、Multimodal Text Decoder）。Image Encoder采用一个图像模型，例如ViT等。Unimodal Text Decoder在这里起到CLIP中text encoder的作用，是一个不和图像侧信息交互的文本解码器。Unimodal Text Decoder和Image Encoder之间没有cross attention，实际上是一个单向语言模型。最后，Multimodal Text Decoder在单模态文本decoder之上，和图像encoder进行交互，生成图像和文本交互信息，并解码还原对应文本。注意两个文本decoder都是单向的，防止信息泄露。

整个模型的loss包括对比学习loss和看图说话loss两个部分。单模态文本decoder生成纯净的文本编码，在末尾添加一个[CLS]提取文本统一表示，和图像侧编码进行对比学习。多模态文本编码部分和图像编码输出进行更深入交互，生成文本预测结果。整个loss可以表示为：

此外，CoCa采用了attention pooling的方式融合图像侧信息。图像侧的信息既可以提取一个统一的编码，也可以提取每个token的表示，二者各有不同的适用场景。因此CoCa加了一个attention来获取图像侧表示，对于生成式任务会用一个维度为256的query进行attention，而对比学习则采用维度为1的query提取全局信息。

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实验结果

CoCa在图像分类、图文检索、看图说话、VQA等多个任务上取得非常亮眼的效果。下图是CoCa和3种类型图文模型在多个任务上的效果对比，CoCa的优势非常明显。多个任务和数据集上达到SOTA，在ImageNet上达到91%的效果。

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