DeepMind出手了！多模态少样本打败精调

卷友们好，我是rumor。

我已经好久没看多模态的paper了，记忆中多模态20年开始火起来，但那时还是模仿BERT的阶段，直接把图像编码放到Transformer里进行预训练，是直接针对一个个任务的。然后就是21年DALLE出来了，但只是文本->图像的生成，图像-文本只有CLIP这种纯编码器的模型。直到最近关注了一篇DeepMind的Flamingo模型，没想到多模态已经和文本一样，开始进入了大模型+少样本打败精调的时代（文本模型是PaLM，在推理数据上以8-shot超越了4个精调SOTA）。

不仅是打败精调，更重要的是它的通用性，弥补了纯文本大模型在多模态应用场景的不足，可以直接做端到端的多模态任务，比如问答、图片分类、甚至都能自带OCR批改小学生作业了：

这种兼备了文本和图像的理解能力的神秘黑盒，又往幻化成人走了一步。

16个任务评估下来，Flamingo直接吊打之前的Zero/Few-shot SOTA，同时在6个任务上超越了现有的精调结果：

下面就让我们一起看看DeepMind是怎样调教Flamingo的。

模型

要把图像和文本合并到一起训练，第一个挑战就是怎样把2D的图像压缩到1D，好跟文本一起输入Transformer（不要问我为什么不把1D文本变成2D输入CNN，Transformer is all you need）。

作者首先用了一个预训练的ResNet对图像进行编码，之后为了节省后续Transformer的计算量，把图像编码压缩到R个token中，毕竟图像本来的信息密度就小一些，压一压也损失不了多少。

压缩的方法就是引入一个Perceiver Resampler模块，核心是做attention，如下图所示，用R个可学习的token作为Query，图像编码和R个token的拼接作为K和V（拼接后效果略好），这样attention下来输出也是R个token。

如果是视频的图像，作者会加上时间编码（位置编码也试了，没提升）。

把2D图像压缩到1D后，第二个挑战是如何让图像和文本做交互。

作者为了提升效率，直接从一个预训练好的70B语言模型Chinchilla^[1]开始加入图像信息，考虑到保留之前LM学到的知识，训练时需要把LM的参数冻住，因此提出了Gated Cross attention机制来融合图像和文本。

具体来说，还是利用attention机制，如下图所示，把文本编码当作Q，图像编码当作K和V，这样输出的维度还是跟之前文本的一样。之后还是正常过FFW。同时为了提升稳定性和效果，在attention和FFW之后都增加了tanh门控，先开始是0，之后逐步增加。

但为了减少参数量，这个机制不一定每层都有，具体增加的策略如下：

同时为了减少不相关的图像噪声，也增加了一些mask策略。在Cross-attention时，每段文字只能关注到它之前的一个图像，如下图：

不过在最终预测的时候，还是保持LM的causal attention，也就是Cross-attention之后的正常attention可以保证在预测输出时会关注到以前所有的文字和图像。

有了上述两个机制后，图像和文本就成功融合到一起了，模型总结构如下（注意每个图像都是单独编码的）：

模型部分解决了，接下来第三个挑战是训练数据构造。

之前很多数据集要不是某个任务的，要不是处理好的文本和图像pair，而作者的目的是做一个泛化性更强的模型，因此不加任何的下游任务数据，直接从网页自己挖一些带有文本和图像的数据数据，构成M3W数据集。同时也用了别人的文本和图像pair的数据，如下所示：

效果

最终效果还是很惊艳的，Flamingo只用4-shot就可以碾压其他的Zero/Few-shot SOTA，并且32-shot在6个任务上超越了精调SOTA：

另外，作者提供了很详细的消融实验，可以给后续多模态模型参考，可以得到的一些关键结论是：

1. 数据集真的很重要，其中M3W有作者们从网页收集的185M图像和182G的文本，LTIP包含312M的图像和文本，VTP包含27M的短视频和文本，M3W是其中占比很大的一个数据集

2. Cross-attention也起到了很大的作用，一方面是门控机制，另一方面是添加的频率（每层都加比偶尔加好）

总结

从很早起我就一直坚信，不管用深度学习还是其他方法，多模态肯定是一个必然的趋势，最近不光是这篇文章，我也看到了语音等其他模态的输入所赋予给模型的能力，那么，就让我们拭目以待吧。

参考资料

[1]

Training compute-optimal large language models: https://arxiv.org/pdf/2203.15556.pdf

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我是朋克又极客的AI算法小姐姐rumor

北航本硕，NLP算法工程师，谷歌开发者专家

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