【提示学习论文五】Conditional Prompt Learning for Vision-Language Models论文原理及复现工作

Conditional Prompt Learning for Vision-Language Models 视觉语言模型的条件提示学习

文章介绍

• 这篇文章于2022年发表在CVPR（Conference on Computer Vision and Pattern Recognition），作者是kaiyang.zhou, jingkang001, ccloy, ziwei.liu。
• 研究发现CoOp的问题：泛化性差，CoOp在训练时对于已知类别（base classes）过拟合，学习的上下文向量不能推广到同一数据集中的未知类。
• 作者提出Conditional Context Optimization（CoCoOp）。CoCoOp在CoOp基础上引入一个轻量级的神经网络为每张图像生成 input-conditional tokens（vectors），这些tokens会加到原本CoOp的learnable vectors上，从而可以学习到更泛化的prompt。

问题背景

• CoOp是一种有效利用数据的方法，只需少量标记图像数据即可训练上下文向量，以提高模型性能。
• 然而，CoOp存在一个问题，其学到的上下文信息无法推广到同一数据集中更广泛的未知类别，CoOp在训练中过于专注于特定类别，导致模型无法很好地泛化到其他类别上。
• 作者认为，通过实例条件化上下文，可以更好地泛化，因为这使得模型不再专注于特定一组类别，而是关注于每个输入实例及整个任务。
• 为了解决这个问题，提出了CoCoOp方法。

设计

• 简单实现方法: 构建 $M$个神经网络来生成 $M$个上下文标记，但这会增加计算资源的需求。
• 参数效率设计: 作者提出了更高效的设计方案，该方案在M个上下文向量的基础上进一步学习一个轻量级的神经网络（Meta-Net）。这个Meta-Net用于为每个输入图像生成一个条件化的标记，并将其与上下文向量结合。

模型结构

• CoOp
  
• CoCoOp：由两个可学习的组件组成，一组上下文向量和一个轻量级神经网络（Meta-Net），为每个图像生成一个输入条件token
• 输入图像编码器生成的图像 $\mathbf{x}$ 特征 ，通过 Meta-Net 生成相应的条件标记 ${\mathbf{t}}_y(\mathbf{x})$
• 计算输入图像 $\mathbf{x}$ 与每个类别提示${\mathbf{t}}_i(\mathbf{x})$之间的相似度
• 对于每个类别 $i$ ，将相似度值作为指数项应用于指数函数，同时用温度参数 $\tau$ 进行缩放，将相似度映射为概率得分
• 将所有类别的指数项相加并归一化，得到每个类别的归一化概率分布
• 最终的预测概率表示为给定输入图像$\mathbf{x}$下属于每个类别的可能性。

实现细节

$$p(y|\mathbf{x})=\frac{\exp (\mathrm{sim}(\mathbf{x},g({\mathbf{t}}_y(\mathbf{x})))/\tau )}{{\sum }_{i=1}^K\exp (\mathrm{sim}(\mathbf{x},g({\mathbf{t}}_i(\mathbf{x}))/\tau )}$$

• 计算预测概率的公式，涉及了上下文标记和模型的预测函数。

• 评估模型对给定输入图像的类别预测概率。

• 训练过程中，更新了上下文向量 $v_m$ 和 Meta-Net 的参数 $\theta$ 。

• Meta-Net 结构: Meta-Net采用了一个两层的瓶颈结构，隐藏层将输入维度降低了16倍。

参数

• $p(y|\mathbf{x})$：表示在给定输入图像 $\mathbf{x}$ 的情况下，模型预测为类别 $y$ 的概率。
• ${\mathbf{t}}_y(\mathbf{x})$：表示输入图像 $\mathbf{x}$ 对应类别 $y$ 的提示（即条件化的标记），包括了关于这个图像的特定信息。
• $\mathrm{sim}(\mathbf{x},g({\mathbf{t}}_i(\mathbf{x})))$：表示图像 $\mathbf{x}$ 与类别$i$的提示 ${\mathbf{t}}_i(\mathbf{x})$之间的相似度。这个相似度函数可以是任何测量图像与提示之间相似程度的函数。
• $K$：表示类别的总数。
• $\tau$：表示温度参数，用于调整预测分布的平滑度。