CLIP系列：CLIP：沟通文本和图像的桥梁

CLIP沟通文本和图像的桥梁。
SOTA的视觉任务模型需要固定的监督数据对，比如-大象，-兔子。这种方式在特定数据集上能够拥有很好的性能，但是在其他未知类别上的性能就会急剧下降。这种监督形式限制了模型的通用性，因为需要额外的数据来重新训练模型。一个识别和的模型并不能识别和。
传统的图像任务都是使用one-hot编码进行，每一类都有其独特的数字标签，比如背景为0，是1，是2，计算机只需要将像素分类成0,1,2。CLIP则是直接从图像的文本描述中进行学习，“a photo of rabbit”，“a photo of elephant”。只需要为每一幅图提供一些文本描述，即可进行CLIP的模型预训练。在一个数百万的大型数据集上进行预训练后，CLIP能取得十分惊艳的泛化性能，以适应任何下游任务，识别、分割、追踪等等。

Background

在NLP中，text-to-text 的预训练方法已经十分成熟，使得大型的预训练模型能够 zero-shot 迁移到下游任务中，也就是现在最热门的 GPT 系列。GPT 的成功也引起了思考，是否可以通过 text-to-image 的方法来预训练大型视觉模型？早在 2016 年就有人尝试用 CNN 模型来预测图像的标题和短语，并证明这种训练方式可以提高模型的 zero-shot 的迁移能力。但这种方式的性能仍会低于标准视觉模型，其中原因之一是**数据集规模。（毕竟大力出奇迹，力大砖飞）。**ChatGPT 已经证明，超大数据集能提高性能和泛化能力。因此 CLIP 选择在一个大规模的自然语言监督的视觉数据集上进行训练。

Highlights

1. A sufficiently large dataset

   MS-COCO、YFCC100M 是目前常用于视觉训练的大型数据集。CLIP 在这些数据集中进行过滤，大致得到了 15million 的图像数据，与 ImageNet 相当。
   此外，还爬取了互联网中的图像数据，包括 400 million 个图像对，并尽可能让类别平衡。

2. An efficient pre-training method

   一个足够大型的数据集能让猪飞起来，那么一个足够好的方法就能让猪变成歼-20。
   CLIP最开始使用类似于VirTex的方法，使用CNN来识别图像特征，使用Transformer来处理文本特征，并直接预测图像标题，结果可想而知，猪还是猪，只不过飞的高一点。直接预测标题存在一定困难，并且难以扩展和效率低下。
   解决方法就是预测一个整体文本与哪一个图像配对，而不是确切的单词。也就是一句话是一个整体，而不是单词的排列组合。毕竟“一张狗的图像”、“一只狗一样的动物的图像”和“一只动物是狗的图像”在某些意义上是一样的，模型到底怎么理解这句话呢，这增加了复杂度。那么要是把这些文本作为整体，那Transformer模型从中提取特征，这几句话就变成整体的一类“狗”。想要实现这一功能就需要设计一个精妙的模型和损失函数。
   
   给定一个批次的N个图像对(image，txet)，那么CLIP就需要预测N×N个配对可能。CLIP从image encoder和text encoder中分别学习到图像表示(image embdding)和文本表示(text embedding)，并计算两者的cosine similarity，以最小化cosine similarity损失。（这里称为对比学习）

# 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] 图像表示
T_f = text_encoder(T) #[n, d_t]	文本表示

# joint multimodal embedding [n, d_e] 
I_e = l2_normalize(np.dot(I_f, W_i), axis=1) # 将图像表示嵌入到特征空间
T_e = l2_normalize(np.dot(T_f, W_t), axis=1) # 将文本表示嵌入到特征空间  以计算两者的相似度

# scaled pairwise cosine similarities [n, n] 
logits = np.dot(I_e, T_e.T) * np.exp(t)    # 计算图像和文本表示的余弦相似度

# symmetric loss function 
labels = np.arange(n)  # 有N个图像-文本对；每一张图像、文本都有1个label， 一共N张图像、N个文本。
loss_i = cross_entropy_loss(logits, labels, axis=0) # 计算图像的交叉熵损失
loss_t = cross_entropy_loss(logits, labels, axis=1)  # 计算文本的交叉熵损失
loss = (loss_i + loss_t)/2 # 将两者损失平衡。这一流程称为对比学习。
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3. Choose and scale a model

对于image encoder：CLIP考虑并使用了两个经典模型：ResNet50和Vit，并做了一些修改。

• ResNet50：使用了antialiased rect-2 blur pooling来代替原始的pooling函数；使用attention pooling mechanism来代替global average pooling layer，其中QKV中的Q为global average-pooling的输出。
• Vit：在Vit的Transformer中，改变了Layer Norm的位置。（Vit的论文图片中LayerNorm和代码中的位置貌似有争议，未求证）。

对于text encoder：则选择了Transformer。在文本编码器中使用了mask self-attention。

在模型规模的选择上，CLIP在image endcoder模型深度和宽度上进行同时扩展；在text encoder上则只缩放宽度。

4. prompt engineering

提示工程同样重要，CLIP将文本规范化后，能够得到好几个点的提升。
比如“a photo of xxx, a type of xxx";

Methods

Discussion

1. ViT的计算效率高于CLIP ResNet。在足够大的数据集上进行训练时，Vision Transformer会比CNN更快。