论文阅读_图像生成文本_CLIP

name_en: Learning Transferable Visual Models From Natural Language Supervision
name_ch: 从自然语言监督中学习可迁移的视觉模型
paper_addr: http://arxiv.org/abs/2103.00020
doi: 10.48550/arXiv.2103.00020
date_read: 2023-02-09
date_publish: 2021-02-26
tags: [‘算法’,‘自然语言’,‘图形图像’]
author: Alec Radford
citation: 3518
code: https://github.com/OpenAI/CLIP

读后感

使用大量数据的对比学习，基于对齐图片和文本嵌入的原理，实现了根据图像生成描述文本的功能，为后续根据文本生成图像奠定了基础。

介绍

文中提出CLIP（Contrastive Language-Image Pre-training）方法，即：对比式语言-图像预训练。它的先进性在于：之前模型只能判断图片是否属于固定类别，而它可以根据一张图片内容，生成文本描述，或者利用文本描述的新类别匹配图片，而无需根据新类别调优模型，即零样本学习。
具体实现方法利用少量有标注数据和大量无标注数据（4亿个图片文本对）方法建模，利用对比学习训练模型，对齐文本和图像的嵌入。 通过在30多个不同的现有视觉数据集上进行基准测试，证明该模型能很好地应用到大多数任务中。
它为后面一系列的图像生成模型（利用文本生成图片）奠定了基础。比如：用DALL-E(unCLIP) 用“小狗吹喇叭”自动生成对应的图片。

方法

数据

虽然MS - COCO和Visual Genome是高质量的人工标记数据集，但按现代标准它们都很小。YFCC100M，在1亿张照片中，保留带有自然语言标题和/或英文描述的图片，仅有1500万张。这与ImageNet的大小大致相同。
CLIP 构建了一个新的数据集，从互联网上的各种公开来源收集了4亿(图像、文字)对，得到的数据集与用于训练GPT - 2的超文本数据集具有相似的总词数，并将该数据集称为WIT for WebImageText。

方法

将目标定义为：预测文本与图像配对，而不是文本的确切单词。这种方法与之前方法相比大大提升了效率。

下图总结了具体的实现方法，左侧为训练，右测为预测。针对文本T和图像I分别训练编码器，然后用模型学习正确的配对（对角线上为正确配对）；在预测阶段，根据类别生成描述文本，并选择与图片最为匹配的文本作为描述，以实现零样本分类器。

具体训练时，假设一个Batch中包含N个图文对，则有NxN种可能的组合。利用多模态技术，训练图片编码器（如ResNet）和文本编码器（如CBOW），将图文转换到嵌入空间，使同一含义的图文表示的cosine距离更近，不同含义的距离更远。具体方法如图-3所示：

CLIP 使用了大量数据从头训练图片和文本模型参数。并只使用线性投影，将每个编码器的表示映射到多模态嵌入空间。数据增强方法仅使用了从调整大小的图像中随机产生的正方形裁剪。

底层模型

在图像编码器方面尝试了两种架构，一种是在ResNet基础版本上做了一些修改，如：锯齿模糊池化，将全局平均池化层替换为注意力池化机制等。另一个是在较新的Vision Transformer架构上做了微调。文本编码器使用了Transformer模型。在图像的宽度深度扩展方面，使用了Tan & Le ( 2019 )提出的EfficientNet架构。

3. 实验

实现主要涉及零样本分类问题和表示学习。
对于零样本迁移图像分类结果，和Visual N-Grams对比结果如下（当然CLIP计算量也大得多）：

另一方面也讨论了模型表征学习的能力，评测时使用的主要方法是：在从模型中提取的表示上拟合一个线性分类器，并在各种数据集上测量其性能。以评测与任务无关的数据表征，对比效果如下：

可以看到，当在足够大的数据集上训练时，视觉转换器(vision transformers)比卷积神经网络具有更好的效果。