CLIP图文多模态对比预训练方法详解

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CLIP是OpenAI在2021年发表的一种用NLP来监督CV的方法。成功连接文本和图像。CLIP全称是， Contrastive Language–Image Pre-training，一种基于对比文本-图像对的预训练方法。在了解CLIP具体方法之前，可以先看一下该工作的在一些下游任务的应用。

应用

1.风格迁移styleCLIP

styleCLIP很神奇，CLIP可以理解各种抽象的妆容，比如发型，卸妆等等

2.文本生成图像CLIPDraw

这个也是使用CLIP指导模型的生成，甚至无需训练，就可以生成简笔画，颇具有抽象派画风。

3.开集目标检测ViLD

传统目标检测方法可能只能告诉你以上均是玩具类别，但是基于CLIP还可以知道玩具颜色，玩具种类。

4.文本视频检索Clifs

CLIP还可以用于视频检索，如上图所示，告知“A truck with the text “odwalla””，可以基于文本内容检索到视频中对应帧的位置。

动机

现有的模型都是基于固定的预定义物体类别集合进行监督训练。比如coco 80类等。但是这种限制性的监督型号限制了模型本身的泛化性，当需要识别新物体类别时需要重新收集新的数据重新训练，因此作者想到使用NLP里面文本信息获取监督信号。

具体方法

CLIP是一种基于对比学习的多模态模型，与CV中的一些对比学习方法如moco和simclr不同的是，CLIP的训练数据是文本-图像对：一张图像和它对应的文本描述，这里希望通过对比学习，模型能够学习到文本-图像对的匹配关系。如下图所示，CLIP包括两个模型：Text Encoder和Image Encoder，其中Text Encoder用来提取文本的特征，可以采用NLP中常用的text transformer模型；而Image Encoder用来提取图像的特征，可以采用常用CNN模型或者vision transformer。

这里对提取的文本特征和图像特征进行对比学习。对于一个包含N个文本-图像对的训练batch，将N个文本特征和N个图像特征两两组合，CLIP模型会预测出 $N^2$ 个可能的文本-图像对的相似度，这里的相似度直接计算文本特征和图像特征的余弦相似性（cosine similarity），即上图所示的矩阵。这里共有N个正样本，即真正属于一对的文本和图像（矩阵中的对角线元素），而剩余的个$N^2-N$个文本-图像对为负样本，那么CLIP的训练目标就是最大个N正样本的相似度，同时最小化$N^2-N$个负样本的相似度，对应的伪代码实现如下所示：

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# image_encoder - ResNet or Vision Transformer
# text_encoder - CBOW or Text Transformer
# I[n, h, w, c] - minibatch of aligned images
# T[n, l] - minibatch of aligned texts
# W_i[d_i, d_e] - learned proj of image to embed
# W_t[d_t, d_e] - learned proj of text to embed
# t - learned temperature parameter
# extract feature representations of each modality
I_f = image_encoder(I) #[n, d_i]
T_f = text_encoder(T) #[n, d_t]
# joint multimodal embedding [n, d_e]
I_e = l2_normalize(np.dot(I_f, W_i), axis=1)
T_e = l2_normalize(np.dot(T_f, W_t), axis=1)
# scaled pairwise cosine similarities [n, n]
logits = np.dot(I_e, T_e.T) * np.exp(t)
# symmetric loss function
labels = np.arange(n)
loss_i = cross_entropy_loss(logits, labels, axis=0)
loss_t = cross_entropy_loss(logits, labels, axis=1)
loss = (loss_i + loss_t)/2

为了训练CLIP，OpenAI从互联网收集了4亿文本-图像对，论文称之为WebImageText。论文中Text Encoder固定选择一个包含63M参数的text transformer模型，而Image Encoder采用了两种的不同的架构，一是常用的CNN架构ResNet，二是基于transformer的ViT，其中ResNet包含5个不同大小的模型：ResNet50，ResNet101，RN50x4，RN50x16和RNx64（后面三个模型是按照EfficientNet缩放规则对ResNet分别增大4x，16x和64x得到），而ViT选择3个不同大小的模型：ViT-B/32，ViT-B/16和ViT-L/14。所有的模型都训练32个epoch，采用AdamW优化器，而且训练过程采用了一个较大的batch size：32768。由于数据量较大，最大的ResNet模型RN50x64需要在592个V100卡上训练18天，而最大ViT模型ViT-L/14需要在256张V100卡上训练12天，可见要训练CLIP需要耗费多大的资源。对于ViT-L/14，还在336的分辨率下额外finetune了一个epoch来增强性能，论文发现这个模型效果最好，记为ViT-L/14@336，论文中进行对比实验的CLIP模型也采用这个。

值得思考的是，在CLIP中，作者没有采用预测式的目标函数优化模型，而是采样对比学习的方式进行优化，在这一块，原文有介绍，使用对比学习的方式训练模型，放宽了约束，模型也更容易收敛，相比于预测型监督，对比式监督可以提升4倍的训练效率。

使用CLIP实现zero-shot分类

当CLIP预训练好之后，有俩个编码器Text Encoder和Image Encoder，基于这俩训练好的encoder可以直接实现zero-shot分类，即无需任何训练数据，就能在某个下游任务上实现分类。具体步骤：

  1. 根据分类任务的分类标签构建每个类别的描述文本：A photo of {label}, 然后将这些文本送入Text Encoder获得对应的文本特征，如果类别数目为N，那么得到N个文本特征。
  2. 将要预测的图像送入Image Encoder得到图像特征，然后与N个文本特征计算余弦相似度，将相似度大的作为图像预测类别。

在zero-shot分类任务上，CLIP在多个数据集上取得优于在imagenet上fine的res101，具体可以看下图的结果对比：

在zero-shot任务上，作者在linear probe基础上做了详尽的实验，首先作者通过和经过强监督学习的Resnet-50提取的特征对比，任务都是分类任务，因此作者基于Resnet-50和CLIP提取出的特征，只是训练了最后的分类器，分类结果如下图所示。可以发现仅仅通过无监督的对比学习预训练得到的特征，即便是和强监督模型特征相比也是不分伯仲的。同时可以发现，zero-shot CLIP在一些动作识别任务中，比如Kinetics 700，UCF 101中有着比较大的提高，作者认为这可能是因为目前的文本描述中有很多以动词，动作为中心的句子导致的。

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prompt engineering

考虑到以单词作为标签存在歧义情况，比如在Oxford-IIIT Pet dataset 数据集中boxer表示斗牛犬，而在其他数据集中则可能表示拳击运动；在ImageNet中，crane同时表示了起重机和鹤。这种词语的多义显然对是因为缺少对标签的上下文描述导致的。为了解决这种问题，作者在指示上下文中添加了一些提示标签类型的词语，比如A photo of a <LABEL>, a type of pet.。作者将这个方法称之为“prompt engineering”。在合适地选取了不同的指示上下文，并且将其打分进行ensemble之后。作者发现这些Tricks竟能在zero-shot实验上提高5个绝对百分位，如Fig 2.3所示。

limitation

这部分是最容易被忽略，但个人认为这部分往往更引人深思，这里简单的总结一下我关注的几个CLIP的limitation：

  1. CLIP在zero-shot上的性能虽然总体上比supervised baseline res50要好，但是在很多任务上是比不过sota，因此CLIP的迁移学习有待挖掘；
  2. CLIP在一下几种task上的性能不好：细粒度分类，计数等任务；
  3. CLIP本质上还是在有限的类别中进行对比推理，无法像image caption那样完全地灵活地生成新的概念，不同于生成模型；
  4. CLIP依旧没有解决深度学习poor data efficiency的问题；

结论

CLIP可以再预训练阶段学习到更多通用的视觉语义信息，并且给下游任务提供帮助。而且相比于以往的训练方法，打破了之前的固定种类标签的范式。