X-VLM: Multi-Grained Vision Language Pre-Training

Introduction

• 大部分 VLM (Visual-Language Model) 依赖于目标检测模型抽取视觉特征，因此会难以学得多个物体间的关系。为了解决上述问题，作者提出了端到端的多模态模型 X-VLM 来进行 “multi-grained vision language pre-training” (align the text with fine-grained (object-centric) features + learn alignments between the texts and coarse-grained (overall) features of the image). 例如在下图中，数据集包含 image caption、region annotations such as “man wearing backpack”、object labels such as “backpack”
  

Method

• Overview: X-VLM 由 image encoder $I_{trans}$ (swin transformer), text encoder $T_{trans}$ (6-layer transformer; 由 BERT base 的前 6 层初始化) 和 cross-modal encoder $X_{trans}$ (6-layer transformer; 由 BERT base 的后 6 层初始化) 组成，所有 encoders 均为 Transformer. 同时，X-VLM 更充分地利用了预训练数据集中的物体检测框信息，每个样本可以表示为 $(I,T,\{(V^j,T^j){\}}^N)$，其中 $I$ 为 image，$T$ 为 text，$\{(V^j,T^j){\}}^N$ 为图片中 $N$ 个 bbox 的图像和文本信息 (对于某些样本而言，可能有 $T=\text{NaN}$，即图像没有描述文本，或 $N=0$，即没有物体检测框信息)
• Vision Encoding: $I_{trans}$ 为 Swin transformer. 对于 $224\times 224$ 的输入图像 (预训练时图像尺寸为 $224\times 224$，微调时图像尺寸为 $384\times 384$)，patch 大小为 $32\times 32$ 时，$I_{trans}$ 输出为 $\{v_1,...,v_{N^I}\}$ ($N^I=49$)，其中 $v_{p_i}$ 编码了 patch $p_i$ 的视觉信息。因此对于视觉对象 $V^j$ (object, region, or the image) 而言，它的视觉编码为 $I_{trans}(V^j)=\{v_{cls}^j,v_{p_1^j},...,v_{p_M^j}\}$ ($j\in [0,N]$)，其中 $p_1^j,...,p_M^j$ 为 $V^j$ 包含的 $M$ 个 patch，$v_{cls}^j$ 为 $v_{p_1^j},...,v_{p_M^j}$ 的均值，代表 $V^j$ 整体的视觉特征。对于整张图像而言，$I_{trans}$ 可以编码出 $N+1$ 个视觉对象，包括 $N$ 个 bbox $V^1,...,V^N$ 和整张图像 $I=V^0$
  
• Cross-Modal Modeling:
  
  • Bounding Box Prediction: 作者让模型根据图像 $I$ 和 $V^j$ 对应的文本描述 $T^j$ 去预测 $V^j$ 对应 bbox $b^j$ 的位置，这可以帮助模型更好地进行跨模态细粒度语义对齐
    其中，Sigmoid 是用于输出归一化的 bbox 坐标，$x_{cls}^j$ 为 cross-modal encoder 输入 $I,T^j$ 后输出的 [CLS] 对应的特征向量
    损失函数采用 L1 损失 (scale-variant) 和 generalized IoU loss (scale-invariant) 之和
    
  • Contrastive Learning: 和 CLIP 类似，X-VLM 也使用了对比损失。随机采样 $N$ 个图像文本对 (1 个 batch)，可以计算如下的 in-batch vision-to-text similarity：
    其中，$(V,T)$ 为正样本，$V$ 和同一 batch 内的其他文本 $T^i$ 组成 $N-1$ 个负样本。$s(V,T)=g_v(v_{cls}{)}^T{g}_w(w_{cls})$ 为余弦相似度，$v_{cls},w_{cls}$ 分别为 $V$ 和 $T$ 的 [CLS] 对应的输出，$g_v,g_w$ 分别将 $v_{cls},w_{cls}$ 变换为低维的归一化特征表示。类似地，text-to-vision similarity 为
    损失函数为
    其中，$y^{v2t}(V),y^{t2v}(T)$ 为 ground-truth one-hot similarity (only the positive pair has the probability of one)，$H$ 为交叉熵损失
  • Matching Prediction：对于每个 $V$，根据 in-batch vision-to-text similarity $p^{v2t}(V)$ 从 batch 内采样出一个 in-batch hard negative text，与 $V$ 更相近的 text 被采样的几率更大；同理，对于每个 $T$，也采样出一个 in-batch hard negative visual concept，由此得到 $N$ 个正样本和 $2N$ 个负样本。损失函数为交叉熵损失
    其中，$p^{match}$ 为模型预测的匹配概率
  • Masked Language Modeling：随机 mask 25% 的文本，其中 10% 替换为随机 token，10% 不变，80% 替换为 [MASK]，然后使用 cross-modal encoder 的输出加上线性层和 Softmax 重构 mask 掉的 token. 损失函数为
    其中，$\hat{T}$ 为 masked text，$p^j(V,\hat{T})$ 为 masked token $t_j$ 的预测概率
    

Experiment

Pre-training Datasets

• 为了便于比较，X-VLM 准备了 2 种预训练数据集设置 (4M / 16M)，其中 Ann(otations) 为图片的 object annotations 和 region annotations
  

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Image-Text Retrieval

Visual Question Answering, Natural Language for Visual Reasoning (NLVR2), Visual Grounding, Image Captioning

References

• paper: Zeng, Yan, Xinsong Zhang, and Hang Li. “Multi-Grained Vision Language Pre-Training: Aligning Texts with Visual Concepts.” (ICML 2022).
• code: https://github.com/zengyan-97/X-VLM