CLIP-Chinese：中文多模態(tài)對比學(xué)習(xí)預(yù)訓(xùn)練模型

筆者最近嘗試在業(yè)務(wù)中引入多模態(tài)，基于CLIP論文的思想，實(shí)現(xiàn)了基于Vit-Bert的CLIP模型，下面將其稱為BertCLIP模型。筆者用140萬的中文圖文數(shù)據(jù)，基于LiT-tuning的方式，訓(xùn)了一版BertCLIP模型。BertCLIP模型在中文圖文相似度、文本相似度、圖片相似度等任務(wù)上都有著不錯的表現(xiàn)。

本文將對該工作進(jìn)行詳細(xì)的介紹并且分享筆者使用的中文訓(xùn)練語料、BertCLIP預(yù)訓(xùn)練權(quán)重、模型代碼和訓(xùn)練pipeline等。

首先展示一下BertCLIP預(yù)訓(xùn)練模型在圖文相似度上的效果。

項(xiàng)目地址：

https://github.com/yangjianxin1/CLIP-Chinese

預(yù)訓(xùn)練權(quán)重（使用方法，詳見下文）：

預(yù)訓(xùn)練模型	預(yù)訓(xùn)練權(quán)重名稱	權(quán)重地址
BertCLIP整體權(quán)重	YeungNLP/clip-vit-bert-chinese-1M	https://huggingface.co/YeungNLP/clip-vit-bert-chinese-1M
單獨(dú)提取出來的Bert權(quán)重	YeungNLP/bert-from-clip-chinese-1M	https://huggingface.co/YeungNLP/bert-from-clip-chinese-1M

論文標(biāo)題：

Learning Transferable Visual Models From Natural Language Supervision

01

模型簡介

CLIP是由OpenAI提出的一種多模態(tài)對比學(xué)習(xí)模型，OpenAI使用了4億對圖文數(shù)據(jù)，基于對比學(xué)習(xí)的方法對CLIP模型進(jìn)行訓(xùn)練。

CLIP模型主要由文本編碼器和圖片編碼器兩部分組成，訓(xùn)練過程如下圖所示。對于batch size為N的圖文對數(shù)據(jù)，將N個圖片與N個文本分別使用圖片編碼器和文本編碼器進(jìn)行編碼，并且映射到同一個向量空間。然后分別計(jì)算兩兩圖文對編碼的點(diǎn)乘相似度，這樣就能得到一個N*N的相似度矩陣。

然后使用我們熟悉的對比損失InfoNCE Loss來計(jì)算該batch的訓(xùn)練損失，更新模型權(quán)重。對InfoNCE Loss不熟悉的小伙伴，可以回顧筆者往期的文章：SimCSE：簡單有效的句向量對比學(xué)習(xí)方法。

舉個例子，對于圖片I1，分別計(jì)算I1與文本T1~TN的相似度，T1是I1的正樣本，而T2~TN均視為I1的負(fù)樣本，我們希望I1與T1的相似度盡可能大，而I1與其他文本的相似度盡可能小。

在計(jì)算T1的InfoNCE Loss時，首先將T1與所有文本的相似度進(jìn)行softmax歸一化，得到相似度的分布，然后計(jì)算相似度分布與label的交叉熵?fù)p失，而T1的label為1。由此可以將這個loss的計(jì)算方式推廣到整個batch。

有小伙伴可能會覺得，對于圖片l1，文本T2~TN中可能存在它的正樣本，若將T2~TN均視為I1的負(fù)樣本，會對模型的訓(xùn)練帶來很大的影響。對于該問題，我們可以認(rèn)為，當(dāng)數(shù)據(jù)量足夠大，并且batch size足夠大的時候，上述誤差對模型的優(yōu)化方向的影響是有限的。在預(yù)訓(xùn)練時代，我們要相信大力是能夠出奇跡的，只要堆足夠多優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)，很多問題都可以迎刃而解。

02

項(xiàng)目介紹

訓(xùn)練細(xì)節(jié)

BertCLIP主要由Vit和Bert組成，在預(yù)訓(xùn)練時，筆者分別使用不同的預(yù)訓(xùn)練權(quán)重來初始化Vit和Bert的權(quán)重。使用OpenAI開源的CLIP模型來初始化Vit權(quán)重，使用孟子中文預(yù)訓(xùn)練權(quán)重來初始化Bert權(quán)重。

我們基于LiT-tuning的方法來訓(xùn)練BertCLIP模型，也就是將Vit部分的模型參數(shù)進(jìn)行凍結(jié)，只訓(xùn)練BertCLIP的其他部分的參數(shù)。LiT-tuning是多模態(tài)模型訓(xùn)練的一種范式，它旨在讓文本編碼空間向圖像編碼空間靠近，并且可以加快模型的收斂速度。

筆者使用了140萬條中文圖文數(shù)據(jù)對，batchsize為768，warmup step為1000步，學(xué)習(xí)率為5e-5，使用cosine衰減策略，混合精度訓(xùn)練了50個epoch，總共73100步，訓(xùn)練loss最終降為0.23左右。模型的訓(xùn)練loss變化如下圖所示。

由于訓(xùn)練資源的限制，以及訓(xùn)練數(shù)據(jù)的獲取需要耗費(fèi)較多時間，目前筆者僅使用了140萬的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。對于預(yù)訓(xùn)練而言，140萬的訓(xùn)練數(shù)據(jù)量略微少了些，筆者訓(xùn)練50輪，模型也許會過分?jǐn)M合訓(xùn)練數(shù)據(jù)。如若條件允許，讀者可以在共享的模型權(quán)重的基礎(chǔ)上，使用更多域內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次預(yù)訓(xùn)練。

筆者曾使用實(shí)際業(yè)務(wù)中1700萬的圖文數(shù)據(jù)訓(xùn)練BertCLIP模型，訓(xùn)練10輪，大概22萬步，訓(xùn)練損失大約降為0.7。在域內(nèi)的圖文匹配、同義詞挖掘等任務(wù)中有不錯的效果。

使用方法

BertCLIP模型的使用方法非常簡單，首先將項(xiàng)目clone到本地機(jī)器上，并且安裝相關(guān)依賴包。

git clone https://github.com/yangjianxin1/CLIP-Chinese.git
pipinstall-rrequirements.txt

使用如下代碼，即可加載預(yù)訓(xùn)練權(quán)重和processor，對圖片和文本進(jìn)行預(yù)處理，并且得到模型的輸出。

from transformers import CLIPProcessor
from component.model import BertCLIPModel
from PIL import Image
import requests


model_name_or_path = 'YeungNLP/clip-vit-bert-chinese-1M'
# 加載預(yù)訓(xùn)練模型權(quán)重
model = BertCLIPModel.from_pretrained(model_name_or_path)
# 初始化processor
CLIPProcessor.tokenizer_class='BertTokenizerFast'
processor = CLIPProcessor.from_pretrained(model_name_or_path)
# 預(yù)處理輸入
url = "http://images.cocodataset.org/val2017/000000039769.jpg"
image = Image.open(requests.get(url, stream=True).raw)
inputs = processor(text=["一只小狗在搖尾巴", "一只小豬在吃飯"], images=image, return_tensors="pt", padding=True)
inputs.pop('token_type_ids')    # 輸入中不包含token_type_ids


outputs = model(**inputs)


# 對于每張圖片，計(jì)算其與所有文本的相似度
logits_per_image = outputs.logits_per_image  # image-text的相似度得分
probs = logits_per_image.softmax(dim=1)  # 對分?jǐn)?shù)進(jìn)行歸一化


# 對于每個文本，計(jì)算其與所有圖片的相似度
logits_per_text = outputs.logits_per_text  # text-image的相似度得分
probs = logits_per_text.softmax(dim=1)  # 對分?jǐn)?shù)進(jìn)行歸一化


# 獲得文本編碼
text_embeds = outputs.text_embeds
# 獲得圖像編碼
image_embeds = outputs.image_embeds

單獨(dú)加載圖像編碼器，進(jìn)行下游任務(wù)。

from PIL import Image
import requests
from transformers import CLIPProcessor, CLIPVisionModel


model_name_or_path = 'YeungNLP/clip-vit-bert-chinese-1M'
model = CLIPVisionModel.from_pretrained(model_name_or_path)
CLIPProcessor.tokenizer_class = 'BertTokenizerFast'
processor = CLIPProcessor.from_pretrained(model_name_or_path)


url = "http://images.cocodataset.org/val2017/000000039769.jpg"
image = Image.open(requests.get(url, stream=True).raw)


inputs = processor(images=image, return_tensors="pt")


outputs = model(**inputs)
last_hidden_state = outputs.last_hidden_state
pooled_output = outputs.pooler_output

單獨(dú)加載文本編碼器，進(jìn)行下游任務(wù)。

from component.model import BertCLIPTextModel
from transformers import BertTokenizerFast


model_name_or_path = 'YeungNLP/clip-vit-bert-chinese-1M'
model = BertCLIPTextModel.from_pretrained(model_name_or_path)
tokenizer = BertTokenizerFast.from_pretrained(model_name_or_path)


inputs = tokenizer(["一只小狗在搖尾巴", "一只小豬在吃飯"], padding=True, return_tensors="pt")
inputs.pop('token_type_ids')  # 輸入中不包含token_type_ids


outputs = model(**inputs)
last_hidden_state = outputs.last_hidden_state
pooled_output = outputs.pooler_output

筆者也將BertCLIP中Bert的預(yù)訓(xùn)練權(quán)重單獨(dú)拎出來，可以使用BertModel直接加載，進(jìn)行下游任務(wù)。

from transformers import BertTokenizer, BertModel


model_name_or_path = 'YeungNLP/bert-from-clip-chinese-1M'
tokenizer = BertTokenizer.from_pretrained(model_name_or_path)
model = BertModel.from_pretrained(model_name_or_path)

在項(xiàng)目中，筆者上傳了多線程下載訓(xùn)練圖片、訓(xùn)練pipeline，以及相似度計(jì)算的腳本，更多細(xì)節(jié)可參考項(xiàng)目代碼。

03

模型效果

圖文相似度

在計(jì)算圖文相似的時候，首先計(jì)算兩兩圖文向量之間的點(diǎn)乘相似度。對于每張圖，將其與所有文本的相似度進(jìn)行softmax歸一化，得到最終的分?jǐn)?shù)。

文本相似度

在計(jì)算文本相似度的時候，首先計(jì)算兩兩文本之間的點(diǎn)乘相似度。對于每個文本，將其與自身的相似度置為-10000（否則對于每個文本，其與自身的相似度永遠(yuǎn)為最大），然后將其與所有文本的相似度進(jìn)行softmax歸一化，得到最終的分?jǐn)?shù)。

圖片相似度

圖片相似度的計(jì)算方式與文本相似度的方式一致。為方便展示，僅選出top1的圖片及其相似度分?jǐn)?shù)。

注：由于在訓(xùn)練BertCLIP時，將圖像編碼器的權(quán)重凍結(jié)，所以該部分的能力，主要?dú)w功于OpenAI的clip預(yù)訓(xùn)練權(quán)重。如想要優(yōu)化模型在域內(nèi)數(shù)據(jù)的圖片相似度計(jì)算能力，圖像編碼器需要一起參與訓(xùn)練。

04

結(jié)語

在本文中，筆者基于CLIP的思想，設(shè)計(jì)了Vit-Bert結(jié)構(gòu)的BertCLIP模型，并且使用140萬中文圖文數(shù)據(jù)對，對模型進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練。在圖文相似度、文本相似度、圖片相似度任務(wù)上做了嘗試，取得了不錯的效果。

該預(yù)訓(xùn)練模型，能夠在中文圖文檢索、文本相似度計(jì)算、同義詞挖掘、相似圖召回等任務(wù)上發(fā)揮作用。并且在下游的一些多模態(tài)任務(wù)中，可以憑借該模型同時引入圖片和文本信息，擴(kuò)充模型的信息域。由于Bert需要將文本空間向圖片空間對齊，所以Bert必然能夠?qū)W到了豐富的語義信息，這能夠?qū)ο掠蔚腘LP任務(wù)帶來增益。讀者也可以基于筆者分享的Bert預(yù)訓(xùn)練權(quán)重，進(jìn)行下游NLP任務(wù)的finetune，相信會有所幫助。

不足之處在于，對于預(yù)訓(xùn)練而言，140萬的數(shù)據(jù)稍顯不足，讀者可以使用自身域內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次預(yù)訓(xùn)練。

審核編輯 ：李倩