Unified Contrastive Learning in Image-Text-Label Space 论文笔记

论文地址：https://arxiv.org/abs/2204.03610
代码地址：https://github.com/microsoft/UniCL
微软的工作，在图像-文本对比学习的基础上引入了标签信息。

摘要

视觉识别目前使用两种类型的方法：基于图像-标签的监督学习，或基于图像-文本的对比学习。由于数据源和学习目标不同，两种学习各有优势，图像-标签的预训练方式能生成更具有判别力的表征，图像-文本的方式具有零样本识别能力。本文介绍一种图像-文本-标签的新学习范式（UniCL），在零样本、线性分类、微调和迁移学习场景都取得了不错的效果。

介绍

图像-标签的监督学习[10]具有强大的迁移学习能力[14，33]，但收集数据和打标签的成本很高。
图像文本的对比学习如CLIP[48]和ALIGN[29]囊括很多语义场景，但抓取的图像文本对存在较多噪声，缺乏迁移学习所需的判别能力。
提出问题：能否用一个模型同时实现判别性表征和广义的语义场景？

图1上：本文定义的图像-文本-标签空间，列出了多个方法如CE、SupCon、CLIP、ALIGN等

图1下：图像-文本-标签样例

图像-标签监督学习[30]将图像映射到离散标签，训练过程中忽略了每个标签相关的文本概念，图像-文本对比学习[48]训练一对图像-文本编码器，则可以隐含假设每个图像-文本对有一个独特的标签。基于这个隐含假设，我们对每个图像-文本对编码唯一标签，如图1下所示。
本文主要贡献：

• 我们引入了图像-文本-标签空间的新视角，它可以将常用的图像标签和图像-文本数据无缝统一起来。
• 我们提出了一种在图像-文本-标签空间中的统一的对比学习方法，称为UniCL，它可以从图像标签和图像文本数据中的任何一种学习，也可以从两者中学习。
• 广泛的实验表明，我们的UniCL可以有效地利用这两种类型的数据，并在标准的zero-shot、线性探测、完全微调和转移学习设置上普遍取得优异的性能。

相关工作

• 监督学习：CNN相关[23, 26, 35, 36, 41, 54, 55]，Transformer相关[15, 44, 59, 64, 67, 71, 76]，损失函数交叉熵[47]，边缘损失[43, 11, 52]，监督对比损失[30]，零样本分类[9，28，46，65，69，70]。
• 文本-图像对比学习：主要分为两类，第一类学习通用的多模态融合层，受到BERT启发，基于遮蔽标记预测或者图像-文本匹配建立图像和文本的特征提取器[17，45，40，53，77，31，39，66]，用于改善下游任务如VQA[2，27]，图像说明[42，1]，视觉常识推理[74]。第二类侧重于从自然语言监督中学习可转移的视觉表征，包括生成性方法[12，50]和对比性方法[16，29，48，62，63，78]。以上方法忽略了图像标签。
• 自监督学习：图像的自监督学习主要是从原始像素中学习通用视觉表征，无需标签和文本的监督[19]。对比学习方法[3，6，8，21，24，57，58]，最大限度地提高了同一图像地不同增强view之间的学习表征一致性，最小化了不同view的一致性，这种数据增强方法也扩展到了非对比性方法[4，7，20，38]，尽管图像自监督可以无限量利用无标签数据[18]，但缺乏语言关联，不适用于零样本任务。

方法

1. 问题设置：定义数据格式如下。

   
   
   图2：数据格式
2. 统一图像-文本-标签的对比度。
   
   图3：
   
   分别对图像和文本抽取特征、归一化得到，计算内积，分别得到图像-文本的对比损失及文本-图像的对比损失
   

• 其中每一行
  
  where
• 同理每一列
  
  where

3.3 讨论&性质
图3对比了我们提出的UniCL与CE、SupCon、CLIP几种方法的异同。
3.4 模型训练与优化
Dataloader的定义，图像-文本对的标签暂时全部定义为0，图像-标签对索引为，之后在函数Target中修改。在训练过程中是一个初始化为1的可学习变量。

• 伪代码

Algorithm 1: Training process for UniCL.
# n: batch size; d: projected feature dim
# The main training loop
1 for x, t, y in loader:
2   target = TargetM(y)
    # Image encoding: n×d
3   u = l2 normalize(fθ(x), dim=-1)
    # Text encoding: n×d
4   v = l2 normalize(fφ(t), dim=-1)
    # Cosine similarities: n×n
5   logits = exp(τ) · u * v.T
    # Bidirectional contrastive loss
6   i2t = SoftCE(logits, target)
7   t2i = SoftCE(logits.T, target.T)
8   loss = (i2t + t2i)/2
9   loss.backward()
# The Target Modification function
10 def TargetM(y):
    # Note y = 0 for image-text in loader
11   cap m = (y == 0).sum()
12   cls m = y[y > 0].max()
13   y[y == 0] = arange(0, cap m) + cls m + 1
14   return y.view(-1, 1) == y.view(1, -1)
# The SoftTargetCrossEntropy function
15 def SoftCE(s, t):
16   s = softmax(s, dim=-1)
17   loss = - (t * log(s)).sum(dim=-1)
18   return (loss/t.sum(dim=-1)).mean()

实验

• 数据集：前4行是图像分类数据，文本描述来源于标签。后3行是图像-文本数据集，我们使用Spacy[25]抽取名词短语，统计出现次数大于5次的名词实体。

  
  
  数据集
• 训练：我们对分类数据使用与CLIP[48]相同的提示策略和标记器，将类名填充到提示模板中，在输入文本编码器之前进行标记化。细节参考CLIP源码。

• 评估：用于标准图像分类、零样本图像分类、线性分类、目标检测。
  本节中我们讨论两个问题：
  Q1：与SupCon相比我们的UniCL在图片分类上表现如何？
  Q2：我们的图像-文本-标签方法有何独特优势？

  
  
  表2：提出方法在图像分类上的精度对比
  
  

  在CIFAR-10、CIFAR-100上优于CE和SupCon，在ImageNet-1K上与SupCon不相上下，且相对于SupCon有以下优势：1）端到端训练，2）可以直接用于零样本学习。

  
  
  增加额外的图像-文本数据
  
  
  与CLIP的对比
  
  
  在多个数据集上的零样本实验

结论

提出了UniCL，一个用于通用多模态表征学习的新的对比性学习范式。它建立在图像-文本-标签空间中，并由我们的统一对比学习方法所支持。这样一个统一的范式促使图像-标签和图像-文本对之间的无缝协同，以进行辨别性和语义丰富的表征学习，这带来了对零点射击、线性探测、微调基准的普遍改进。此外，我们还讨论了它与现有学习方法的联系，并通过经验证明，我们的学习方法在纯图像-标签数据上是一个很好的替代学习者。

• 讨论：在我们的提交过程中，我们主要关注视觉任务，如图像识别和物体检测，并将我们的模型建立在公共数据集上。然而，我们向读者推荐Florence[72]的大规模预训练以及对包括VQA和视频理解在内的一系列任务的评估。我们注意到Florence使用了大量的私人数据，因此推荐本文中的这套实验作为未来学术研究的基线。