利用大語言模型做多模態(tài)任務(wù)

大型語言模型LLM（Large Language Model）具有很強(qiáng)的通用知識理解以及較強(qiáng)的邏輯推理能力，但其只能處理文本數(shù)據(jù)。雖然已經(jīng)發(fā)布的GPT4具備圖片理解能力，但目前還未開放多模態(tài)輸入接口并且不會(huì)透露任何模型上技術(shù)細(xì)節(jié)。因此，現(xiàn)階段，如何利用LLM做一些多模態(tài)任務(wù)還是有一定的研究價(jià)值的。

本文整理了近兩年來基于LLM做vision-lanuage任務(wù)的一些工作，并將其劃分為4個(gè)類別：

利用LLM作為理解中樞調(diào)用多模態(tài)模型，例如VisualChatGPT(2023)[1], MM-REACT(2023)[2]；

將視覺轉(zhuǎn)化為文本，作為LLM的輸入，例如PICA(2022)[3]，PromptCap(2022)[4]，ScienceQA(2022)[5]；

利用視覺模態(tài)影響LLM的解碼，例如ZeroCap[6]，MAGIC[7]；

凍住LLM，訓(xùn)練視覺編碼器等額外結(jié)構(gòu)以適配LLM，例如Frozen[8]，BLIP2[9]，F(xiàn)lamingo[10]，PaLM-E[11]；

接下來每個(gè)類別會(huì)挑選代表性的工作進(jìn)行簡單介紹：

一. 利用LLM作為理解中樞調(diào)用多模態(tài)模型

以微軟Visual ChatGPT[1]為例，它的目標(biāo)是使得一個(gè)系統(tǒng)既能和人進(jìn)行視覺內(nèi)容相關(guān)的對話，又能進(jìn)行畫圖以及圖片修改的工作。為此，Visual ChatGPT采用ChatGPT作為和用戶交流的理解中樞，整合了多個(gè)視覺基礎(chǔ)模型（Visual Foundation Models），通過prompt engineering （即Prompt Manager）告訴ChatGPT各個(gè)基礎(chǔ)模型的用法以及輸入輸出格式，讓ChatGPT決定為了滿足用戶的需求，應(yīng)該如何調(diào)用這些模型，如圖1所示。

圖1：Visual ChatGPT系統(tǒng)示意圖

微軟另一個(gè)小組稍晚一段時(shí)間提出的MM-REACT[2]也是同樣的思路，區(qū)別主要在于prompt engineering的設(shè)計(jì)以及MM-REACT更側(cè)重于視覺的通用理解和解釋，包含了很多Microsoft Azure API，例如名人識別、票據(jù)識別以及Bing搜索等。

二. 將視覺轉(zhuǎn)化為文本，作為LLM的輸入

以PICA[3]為例，它的目標(biāo)是充分利用LLM中的海量知識來做Knowledge-based QA。給定一張圖和問題，以往的工作主要從外部來源，例如維基百科等來檢索出相關(guān)的背景知識以輔助答案的生成。但PICA嘗試將圖片用文本的形式描述出來后，直接和問題拼在一起作為LLM的輸入，讓LLM通過in-context learning的方式直接生成回答，如圖2所示。

圖2：PICA方法示意圖

in-context learning的效果比較依賴example/demonstration的質(zhì)量，為此PICA的作者利用CLIP挑選了和當(dāng)前測試樣例在問題和圖片上最接近的16個(gè)訓(xùn)練樣例作為examples。

三. 利用視覺模態(tài)影響LLM的解碼

以MAGIC[3]為例，它的目標(biāo)是讓LLM做image captioning的任務(wù)，它的核心思路是生成每一個(gè)詞時(shí)，提高視覺相關(guān)的詞的生成概率，公式如圖3所示。

圖3：MAGIC解碼公式示意圖

該公式主要由三部分組成：1）LLM預(yù)測詞的概率；2）退化懲罰（橙色）；3）視覺相關(guān)性（紅色）。退化懲罰主要是希望生成的詞能帶來新的信息量。視覺相關(guān)性部分為基于CLIP計(jì)算了所有候選詞和圖片的相關(guān)性，取softmax之后的概率作為預(yù)測概率。

四.訓(xùn)練視覺編碼器等額外結(jié)構(gòu)以適配LLM

這部分工作是目前關(guān)注度最高的工作，因?yàn)樗哂袧摿怼耙赃h(yuǎn)低于多模態(tài)通用模型訓(xùn)練的代價(jià)將LLM拓展為多模態(tài)模型”。DeepMind于2021年發(fā)表的Frozen，2022年的Flamingo以及Saleforce 2023年的BLIP2都是這條路線，如圖4所示。

圖4：Frozen，F(xiàn)lamingo，BLIP2示意圖。

Frozen訓(xùn)練時(shí)將圖片編碼成2個(gè)vision token，作為LLM的前綴，目標(biāo)為生成后續(xù)文本，采用Conceptual Caption作為訓(xùn)練語料。Frozen通過few-shot learning/in-context learning做下游VQA以及image classification的效果還沒有很強(qiáng)，但是已經(jīng)能觀察到一些多模態(tài)in-context learning的能力。

Flamingo為了解決視覺feature map大小可能不一致（尤其對于多幀的視頻）的問題，用Perceiver Resampler （類似DETR的解碼器）生成固定長度的特征序列（64個(gè)token），并且在LLM的每一層之前額外增加了一層對視覺特征進(jìn)行注意力計(jì)算的cross-attention layer，以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的視覺相關(guān)性生成。Flamingo的訓(xùn)練參數(shù)遠(yuǎn)高于Frozen，因此采用了大量的數(shù)據(jù)：1）MultiModal MassiveWeb(M3W) dataset：從43million的網(wǎng)頁上收集的圖文混合數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為圖文交叉排列的序列（根據(jù)網(wǎng)頁上圖片相對位置，決定在轉(zhuǎn)化為序列后，token 在文本token系列中的位置）；2）ALIGN (alt-text & image Pairs): 1.8 million圖文對；3）LTIP (LongText & Image Pairs)：312 million圖文對；4）VTP (Video & Text Pairs) ：27 million視頻文本對(平均一個(gè)視頻22s，幀采樣率為1FPS)。類似LLM，F(xiàn)lamingo的訓(xùn)練目標(biāo)也為文本生成，但其對于不同的數(shù)據(jù)集賦予不同的權(quán)重，上面四部分權(quán)重分別為1.0、0.2、0.2、0.03，可見圖文交叉排列的M3W數(shù)據(jù)集的訓(xùn)練重要性是最高的，作者也強(qiáng)調(diào)這類數(shù)據(jù)是具備多模態(tài)in-context learning能力的重要因素。Flamingo在多個(gè)任務(wù)上實(shí)現(xiàn)了很不錯(cuò)的zero-shot以及few-shot的表現(xiàn)。

BLIP2采用了類似于Flamingo的視覺編碼結(jié)構(gòu)，但是采用了更復(fù)雜的訓(xùn)練策略。其包含兩階段訓(xùn)練，第一階段主要想讓視覺編碼器學(xué)會(huì)提取最關(guān)鍵的視覺信息，訓(xùn)練任務(wù)包括image-Text Contrastive Learning, Image-grounded Text Generation以及Image-Text Matching；第二階段則主要是將視覺編碼結(jié)構(gòu)的輸出適配LLM，訓(xùn)練任務(wù)也是language modeling。BLIP2的訓(xùn)練數(shù)據(jù)包括MSCOCO，Visual Genome，CC15M，SBU，115M來自于LAION400M的圖片以及BLIP在web images上生成的描述。BLIP2實(shí)現(xiàn)了很強(qiáng)的zero-shot capitoning以及VQA的能力，但是作者提到未觀察到其in-context learning的能力，即輸入樣例并不能提升它的性能。作者分析是因?yàn)橛?xùn)練數(shù)據(jù)里不存在Flamingo使用的圖文交錯(cuò)排布的數(shù)據(jù)。不過Frozen也是沒有用這類數(shù)據(jù)，但是也觀察到了一定的in-context learning能力。因此多模態(tài)的in-context learning能力可能和訓(xùn)練數(shù)據(jù)、訓(xùn)練任務(wù)以及位置編碼方法等都存在相關(guān)性。

總結(jié)

“利用LLM作為理解中樞調(diào)用多模態(tài)模型”可以方便快捷地基于LLM部署一個(gè)多模態(tài)理解和生成系統(tǒng)，難點(diǎn)主要在于prompt engineering的設(shè)計(jì)來調(diào)度不同的多模態(tài)模型；

“將視覺轉(zhuǎn)化為文本，作為LLM的輸入”和“利用視覺模態(tài)影響LLM的解碼”可以直接利用LLM做一些多模態(tài)任務(wù)，但是可能上限較低，其表現(xiàn)依賴于外部多模態(tài)模型的能力；

“訓(xùn)練視覺編碼器等額外結(jié)構(gòu)以適配LLM”具有更高的研究價(jià)值，因?yàn)槠渚邆鋵⑷我饽B(tài)融入LLM，實(shí)現(xiàn)真正意義多模態(tài)模型的潛力，其難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的in-context learning的能力。

審核編輯：劉清