【提示学习论文七】Visual Prompt Tuning论文原理

Visual Prompt Tuning（VPT）

文章介绍

• 这篇文章于2022年发表在ECCV（European Conference on Computer Vision），作者是Menglin Jia, Luming Tang,Bor-Chun Chen, Claire Cardie, Serge Belongie,Bharath Hariharan, Ser-Nam Lim。
• VPT是一种有效的用于大规模Transformer的视觉微调，只需要在输入空间引入少量可训练参数，同时冻结backbone。

Abstract

目前适应预训练模型的操作方法涉及更新所有骨干参数，即全面微调。本文介绍了视觉提示调谐(Visual Prompt Tuning, VPT)作为一种有效的替代方案，在视觉上对大型变压器模型进行全微调。从高效调优大型语言模型的最新进展中获得灵感，VPT在保持模型主干冻结的同时，仅在输入空间中引入少量(不到模型参数的1%)可训练参数。通过对各种下游识别任务的广泛实验，我们表明，与其他参数高效调优协议相比，VPT实现了显着的性能提升。最重要的是，在跨模型容量和训练数据规模的许多情况下，VPT甚至优于完全微调，同时降低了每个任务的存储成本。代码可从github.com/kmnp/vpt获得。

1 Introduction

对于大模型适应下游任务时，通常的策略是进行端到端的全面微调，然而这种策略需要为每个人物存储部署单独的主干参数，代价比较高。

1. 目前的迁移学习：

• 全精调（Full fine-tuning）
• 头部导向（Head-oriented）
• 骨干导向（Backbone-oriented）

2. VPT相反，在输入空间中添加了额外的参数
3. 在一系列基于预训练的ViT-B骨干适应的下游分类任务中，展示了不同方法的性能，包括均值和标准差。VPT在24个案例中的20个表现优于全精调，同时使用不到总模型参数的1%。

2 Related Work

3 Approach

我们提出了视觉提示调优(VPT)来适应大型预训练的视觉transformer模型，VPT在Transformer的输入空间中注入少量的可学习参数，并在下游训练阶段保持骨干的冻结。总体框架如图2所示。我们首先在第3.1节定义符号，然后在第3.2节正式描述VPT。

3.1 准备工作

3.2 Visual-Prompt Tuning(VPT)

给定一个预训练的Transformer模型，在Embed层之后的输入空间中引入了一组p个连续的维度为d的嵌入，即prompts。VPT有两个变体，即VPT-shallow和VPT-deep，取决于涉及的Transformer层数。

• 红色：更新参数
• 蓝色：冻结参数

3.2.1 VPT-Shallow

Prompts仅插入到第一个Transformer层L1中:

• $Z_i$：第$i$个Transformer层计算出的特征
• $x_i$：class token
• $E_i$：图片的第$i$个patch
• $[x_i,Z_i,E_i]\in {\mathbb{R}}^{(1+p+m)\times d}$：ViT的输出

3.2.2 VPT-Deep

Prompts引入到每个Transformer层的输入空间中:

第($i$+1)层的输入prompt集合：$P_i=p_{k_i}\in {\mathbb{R}}^d|k\in \mathbb{N},1\le k\le m$

3.2.3 Storing Visual Prompts 存储视觉提示

VPT在存在多个下游任务时非常有益，只需存储每个任务学到的prompts和分类头（Head），并重复使用预训练Transformer模型的原始副本，从而大大减少了存储成本。

4 实验

主要结果

给出了在4个不同的下游任务组中平均微调预训练的VPT-b/16的结果

模型设计变体的消融

• Prompt Location（提示位置）：VPT和其他方法之间的一个重要区别是作为Transformer层的输入引入了额外的学习参数
  
• Prompt Length（提示长度）：与完全微调相比，这是VPT调优所需的唯一额外超参数。
  
• Prompt Depth（提示深度）：VPT的表现总体上与提示深度呈正相关，如果我们从上到下插入提示，准确的就会下降，这表明Transformer早期层的提示比后期层的提示更重要。
  

5 分析和讨论

6 结论

我们提出了可视化提示调优，这是一种新的参数高效方法，可以利用大型视觉Transformer模型进行广泛的下游任务。VPT在输入空间中引入了特定任务的可学习提示，保持预先训练的主干固定。我们证明VPT可以超越其他微调协议(通常包括完全微调)，同时极大地降低存储成本。我们的实验也提出了关于不同预训练目标的视觉transformer的微调动力学，以及如何有效地转移到更广泛的视觉识别任务的有趣问题。