從頂會論文看多模態(tài)預(yù)訓(xùn)練研究進展

以下文章來源于RUC AI Box ，作者都一凡

預(yù)訓(xùn)練模型：[ICML 2021] ViLT: Vision-and-Language Transformer Without Convolution or Region Supervision 

目前大部分的Vision-and-Language Pre-training(VLP)在表達圖片特征的時候都使用了區(qū)域監(jiān)督（例如目標檢測）和卷積操作（例如ResNet），這種方法存在一定缺陷：(1)速度慢；(2)表達能力有限。因此本文提出了一種最簡單的VLP模型——ViLT，主要對視覺特征提取進行了改進，使用簡單的線性映射大大減少了視覺編碼器的參數(shù)量。具體而言，視覺和文本編碼器的表達如下：

其中T和V分別表示文本和圖片的線性層。
在建模文本和圖片交互時，ViLT采用了單流架構(gòu)，Transformers用預(yù)訓(xùn)練的ViT-B/32初始化（文中說也實驗了BERT初始化但是不work）。模型結(jié)構(gòu)如下：

預(yù)訓(xùn)練任務(wù)：

• Image Text Matching
• Masked Language Modeling

最終ViLT在VQA, NLVR, text2image retrieval, image2text retrieval下游任務(wù)上微調(diào)，運行效率比之前的預(yù)訓(xùn)練模型都有顯著提升。
[ICML 2021] Learning transferable visual models from natural language supervision
本文用400M的圖文對進行跨模態(tài)對比學(xué)習(xí)，近期受到比較多關(guān)注的CLIP就是該工作提出的。
文章的出發(fā)點是考慮到：CV中現(xiàn)有的SOTA模型都是在有限的類別的數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練的，要想讓模型識別更多的視覺概念就必須用更多的有標簽數(shù)據(jù)，這就大大限制了模型的泛化能力。而由于(image, text) pairs數(shù)據(jù)非常多，因此文章考慮用文本數(shù)據(jù)作為監(jiān)督信號，取代標簽，訓(xùn)練一個泛化能力更強的視覺模型。
具體而言，文章收集了4M的圖文對數(shù)據(jù)，進行跨模態(tài)的對比學(xué)習(xí)，方法非常簡單：

模型比較強大的地方在于其zero-shot的能力，尤其是在圖文檢索任務(wù)上，CLIP zero-shot的表現(xiàn)甚至超過了finetune的多模態(tài)預(yù)訓(xùn)練模型，一個重要原因是：檢索任務(wù)本身和預(yù)訓(xùn)練任務(wù)高度契合。
[ICML 2021] Unifying Vision-And-Language Tasks Via Text Generation
本文將多個視覺-語言任務(wù)統(tǒng)一成了多模態(tài)條件文本生成任務(wù)，類似于NLP領(lǐng)域中的T5[1]。
本文指出目前的vision-and-language的學(xué)習(xí)都是對特定的任務(wù)設(shè)計特定的框架和目標，這就比較繁瑣。因此文章提出用一個統(tǒng)一的框架和一個語言模型的目標（多模態(tài)條件文本生成）來解決多個下游任務(wù)，同時也測試了多任務(wù)學(xué)習(xí)的效果。具體而言，文章直接對T5和BART進行改進，賦予其視覺理解的能力。模型結(jié)構(gòu)如下：

預(yù)訓(xùn)練任務(wù)：

• Multimodal language modeling: T5和BART各自沿用了其預(yù)訓(xùn)練的語言模型任務(wù)，只是在encoder輸入的時候不止輸入文本，還輸入圖片；
• Visual question answering: 給定圖片和問題，直接生成答案；
• Image-text matching
• Visual grounding: 輸入一個object的描述以及一張圖片，輸出圖中正確object所對應(yīng)的visual token；
• Grounded captioning: 與上一個任務(wù)相反，輸入圖片和一個object的visual token，輸出對這個object的描述。

[ACL 2021] UNIMO: Towards Unified-Modal Understanding and Generation via Cross-Modal Contrastive Learning
本文的亮點是在預(yù)訓(xùn)練階段通過檢索的方式，在一個統(tǒng)一的Transformer架構(gòu)下同時使用單模態(tài)和多模態(tài)數(shù)據(jù)，進行跨模態(tài)的對比學(xué)習(xí)，并通過一系列增強方式產(chǎn)生各種粒度的正負樣本，從而使得圖文的向量表示不僅有粗粒度特征，也有細粒度的特征。模型結(jié)構(gòu)如下：

最終在微調(diào)場景下，UNIMO除了在多模態(tài)任務(wù)上超越了所對比的模型之外，也在GLUE benchmark上超過了其text encoder——BERT。這同時說明了兩方面的問題：

1. 純文本語料上的預(yù)訓(xùn)練能夠幫助模型提升多模態(tài)任務(wù)上的性能；
2. 圖片和多模態(tài)數(shù)據(jù)上的預(yù)訓(xùn)練能夠幫助模型更好地完成NLU任務(wù)。

其他多模態(tài)預(yù)訓(xùn)練的相關(guān)工作：VLMO: Unified Vision-Language Pre-Training with Mixture-of-Modality-Experts
提出了一個Mixture-of-Modality-Experts（MoME）的Transformer，能夠根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的模態(tài)選擇不同的"expert"。并采用了“vision-text-multimodal”的分階段的預(yù)訓(xùn)練方式，即后一階段預(yù)訓(xùn)練時凍結(jié)前一部分編碼器的參數(shù)。最終模型在VQA等多模態(tài)任務(wù)上進行微調(diào)，達到了SOTA。
UniT: Multimodal Multitask Learning with a Unified Transformer
本文的主要貢獻在于用一個統(tǒng)一的Transformer架構(gòu)，通過多任務(wù)學(xué)習(xí)，使得模型能夠做NLP, CV, Multi-Modal的各種任務(wù)，即希望打造一個通用智能體。 Towards a Unified Foundation Model: Jointly Pre-Training Transformers on Unpaired Images and Text
本文是12月掛在arXiv上的一篇工作，也是希望通過多任務(wù)學(xué)習(xí)打造一個統(tǒng)一的基礎(chǔ)模型，能夠勝任純CV和NLP任務(wù)。它和UniT的區(qū)別在于：UniT的視覺和文本編碼器都是根據(jù)各自模態(tài)設(shè)計的，只有decoder是共享的；而該模型只有tokenizer和task-specific output head是與模態(tài)或者任務(wù)相關(guān)的，中間的Transformer encoder是與模態(tài)無關(guān)的。文章用BERT和ViT作為teacher model對Transformer encoder進行知識蒸餾，并提出了一種新的gradient masking策略平衡來自視覺和文本預(yù)訓(xùn)練損失函數(shù)帶來的參數(shù)更新。
多模態(tài)prompt：[NIPS 2021] Multimodal Few-Shot Learning with Frozen Language Models
PLM在prompt的提示下可以在一個新任務(wù)進行few-shot learning[2]，受此啟發(fā)，本文將prompt的方法用到了多模態(tài)上，提出了一個多模態(tài)few-shot learner——Frozen。Frozen可以被看作是一種image-conditional prefix tuning，與prefix tuning[3]的不同之處在于連續(xù)的prompt不再是隨機初始化的參數(shù)，而是一種image-conditional的激活向量。模型的結(jié)構(gòu)非常簡單：

整個模型類似于多模態(tài)模型中的雙流架構(gòu)，其中text embedder和self attention layers的參數(shù)都是固定不動的，只有vision encoder的參數(shù)會進行更新。每一張圖片經(jīng)過NF-ResNet-50編碼之后再經(jīng)過一個線性層映射稱為D*n維的向量，然后拆散成n個embeddings，上圖展示了n=2的情形。模型在conceptual captions數(shù)據(jù)集上進行訓(xùn)練，輸入image，自回歸地輸出captions，相當(dāng)于是一個conditional text generation任務(wù)。
vision encoder訓(xùn)練好之后，F(xiàn)rozen在VQA任務(wù)上進行了zero-shot和few-shot的實驗。也測試了Frozen的Fast Concept Binding的能力。
[ACL ARR] Prompting as Multimodal Fusing
本文是對上一篇文章中的image-conditional prefix tuning的改進工作。Frozen中的image encoder同時完成了兩個目標：提取視覺特征、對齊圖文空間的表示。本文將這兩個目標解耦，image encoder只負責(zé)編碼圖像特征，而對齊圖文空間表示的任務(wù)交給prompt向量來做。這樣視覺編碼器的參數(shù)也變成固定的了，只有prompt向量的參數(shù)是可訓(xùn)練的。這樣做有兩個好處：(1) 整個架構(gòu)更加模塊化，可以靈活調(diào)整視覺編碼器，也可以靈活地加入其他模態(tài)；(2) 實現(xiàn)了更高的參數(shù)效率，視覺編碼器中的大量參數(shù)都可以凍結(jié)，只需要調(diào)整prompt向量即可。模型結(jié)構(gòu)如下：
另外，本文還提出了一種特殊的attention mask，它迫使prompt對所有輸入數(shù)據(jù)都是不可見的，稱為BlindPrompt，如下圖所示：

文章說這使得prompt向量關(guān)注模態(tài)之間的對齊，而不是模態(tài)中特定的內(nèi)容（有一定道理，但是并沒有做ablation study）。
多模態(tài)預(yù)訓(xùn)練分析：[EMNLP 2021] Effect of Visual Extensions on Natural Language Understanding in Vision-and-Language Models
本文是一篇實驗分析性的工作，對一系列多模態(tài)預(yù)訓(xùn)練模型在GLUE上進行微調(diào)，探討現(xiàn)有的多模態(tài)預(yù)訓(xùn)練模型在NLU方面的能力。
在實驗部分，文章首先對5個多模態(tài)預(yù)訓(xùn)練模型的視覺編碼進行了統(tǒng)一，使得結(jié)果對比較為公平。5個模型的文本編碼器都采用了BERT-base，視覺編碼器隨機初始化。在微調(diào)時，由于GLUE中沒有圖片數(shù)據(jù)，因此視覺編碼器的輸入都采用了全黑的圖片。
文章做了一系列實驗，得出如下一些結(jié)論：

1. 不管是單流還是雙流，多模態(tài)的預(yù)訓(xùn)練模型都比預(yù)訓(xùn)練語言模型在NLU任務(wù)上表現(xiàn)更差，單流模型比雙流模型略好；
2. 上述NLU任務(wù)上性能的下降主要是由預(yù)訓(xùn)練任務(wù)造成的，而不是模型結(jié)構(gòu)；
3. 論文研究了多模態(tài)預(yù)訓(xùn)練模型的參數(shù)是如何在預(yù)訓(xùn)練語言模型的基礎(chǔ)上變動的，并研究了每一個預(yù)訓(xùn)練模型能解決的任務(wù)；
4. 多模態(tài)的任務(wù)最好采用單流的架構(gòu)，并精心設(shè)計預(yù)訓(xùn)練任務(wù)來保持預(yù)訓(xùn)練語言模型的知識。

知識遷移和知識蒸餾：[ACL ARR] Leveraging Visual Knowledge in Language Tasks An Empirical Study on Intermediate Pre-training for Cross-Modal Knowledge Transfer
目前的大規(guī)模語言模型在理解日常物品屬性方面的能力還很缺乏，因為它們的預(yù)訓(xùn)練語料中很少有這樣的事實性知識，即所謂的reporting bias，下圖即是一個例子：

因此本文嘗試通過以下兩種方法來彌補PLM在這方面的缺陷：
(1) text knowledge transfer: 即使用image caption進行知識遷移，設(shè)計了如下兩個訓(xùn)練目標：

• MLM：在image caption上進行MLM，相當(dāng)于進行了domain adaptive的預(yù)訓(xùn)練；
• Text Contrastive Learning (TCL): 采用和SimCSE一樣的方式，進行對比學(xué)習(xí)。

(2) cross-modal knowledge transfer: 即使用圖片和文本以及V&L的訓(xùn)練來進行知識遷移，設(shè)計了如下幾個訓(xùn)練目標：

• Voken Classification: voken[4]采用token層面的text2image檢索來遷移視覺知識，它假設(shè)每一個token都有一個視覺域的voken與其對應(yīng)，訓(xùn)練目標就是在所有預(yù)先設(shè)定好的voken中將正確的voken檢索出來；
• Masked Language Modeling with Visual Clues: 給定圖片作為線索，預(yù)測mask掉的token，比MLM多了圖片作為輸入，目標函數(shù)是一樣的；
• Cross-Modal Contrastive Learning (CMCL): 和CLIP一樣，是跨模態(tài)的對比學(xué)習(xí)；
• Cross-Modal Knowledge Distillation (CMKD): 將在MSCOCO數(shù)據(jù)集上進行對比學(xué)習(xí)的多模態(tài)模型作為teacher model，將一個語言模型作為student，在純文本語料Wiki103上進行知識蒸餾。

[ACL ARR] Enabling Multimodal Generation on CLIP via Vision-Language Knowledge Distillation
目前大部分大規(guī)模的多模態(tài)預(yù)訓(xùn)練模型（如CLIP, ALIGN[5]）等文本編碼器較弱，而大規(guī)模的NLG模型（如BART, T5）具有很強的生成能力，因此考慮用NLG模型彌補VLP模型生成能力的不足。本文將CLIP的知識蒸餾到BART中，得到的模型在多模態(tài)生成任務(wù)以及純NLP任務(wù)上具有很強的zero-shot性能。
具體而言，本文使用了三個目標函數(shù)進行蒸餾：

• Text-Text Distance Minimization (TTDM): 最小化BART編碼器和CLIP文本編碼器得到的text embedding之間的距離；
• Image-Text Contrastive Learning (ITCL): 在BART編碼的文本和CLIP編碼的圖片表示之間進行跨模態(tài)的對比學(xué)習(xí)；
• Image-Conditioned Text Infilling (ITCL): 上面兩個目標只是對BART的編碼器進行了更新，沒有動****。此處在(image, text) pair數(shù)據(jù)集上將CLIP的視覺表示和BART編碼器的文本表示投影到與BART****相同的維度上，然后進行conditional text generation，使得BART的編碼器也能理解視覺表示。

文章測試了蒸餾后的BART在VQA和image caption上的微調(diào)和zero-shot能力，以及在GLUE和XSUM上微調(diào)的表現(xiàn)。

參考文獻

[1] Exploring the Limits of Transfer Learning with a Unified Text-to-Text Transformer

[2] Language Models are Few-shot Learners

[3] Prefix-Tuning: Optimizing Continuous Prompts for Generation

[4] Vokenization: Improving Language Understanding with Contextualized, Visual-Grounded Supervision

[5] Scaling Up Visual and Vision-Language Representation Learning With Noisy Text Supervision