谷歌重磅新作PaLI-3：視覺語言新模型！更小、更快、更強

在多模態(tài)（視覺語言）大模型領域，拼參數(shù)贏性能的同時，追求參數(shù)更小、速度更快、性能更強是另一條研究路徑。

在大模型時代，視覺語言模型（VLM）的參數(shù)已經(jīng)擴展到了數(shù)百甚至數(shù)千億，使得性能持續(xù)增加。與此同時，更小規(guī)模的模型仍然很重要，它們更易于訓練和服務，更加環(huán)境友好，并為模型設計提供更快的研究周期。

在該領域，谷歌研究院在去年推出了一個名為 PaLI（Pathways Language and Image）的模型。作為一個多模態(tài)大模型，PaLI 的關鍵結構之一是復用大型單模態(tài)基干進行語言和視覺建模，在語言方面復用 13B 參數(shù)的 mT5-XXL，在視覺方面復用 2B 參數(shù)的 ViT-G 和 4B 參數(shù)的 ViT-e。當時 PaLI 實現(xiàn)了優(yōu)于多數(shù)新舊模型的性能。

此后谷歌繼續(xù)專注于更小規(guī)模的建模，并于近日提出 PaLI-3，這是 PaLI 系列的第三代模型。通過一個僅有 5B 參數(shù)的預訓練基線模型，他們優(yōu)化了訓練方法，并在多個 VLM 基準上實現(xiàn)了有競爭力以及新的 SOTA 結果。

該方法主要由三部分組成，分別是在 web 規(guī)模的圖像文本數(shù)據(jù)上對圖像編碼器的對比預訓練、用于 PaLI 多模態(tài)訓練的改進后的混合數(shù)據(jù)集，以及更高分辨率的訓練。

作者來自谷歌研究院、谷歌DeepMind和谷歌云。

論文地址：https://arxiv.org/abs/2310.09199

下圖為 5B PaLI-3 模型概覽，其中通過對比預訓練的 2B SigLIP 視覺模型，圖像被單獨地編碼成了視覺 token。接著與 query 一起，這些視覺 token 被傳遞給了 3B 編碼器 - 解碼器結構的 UL2 Transformer，它生成了預期答案。在這樣的設置下，與之前 PaLI 模型中單個分類預訓練的模型，對比預訓練的模型提供了明顯更有用的 token。

效果怎么樣呢？PaLI-3 在需要視覺定位文本理解和目標定位的任務上實現(xiàn)了新的 SOTA，包括 RefCOCO 數(shù)據(jù)集上的 8 個視覺定位文本理解任務和參考表達分割任務。PaLI-3 也在一系列分類視覺任務上有出色的表現(xiàn)。

此外研究者還專門做了消融實驗以與分類預訓練的 ViT 基線模型比較，并進一步確認了預訓練視覺編碼器在有噪聲 web 規(guī)模的圖像文本數(shù)據(jù)上的可行性，從而成為在分類數(shù)據(jù)上進行訓練的優(yōu)先替代方案。

除了 5B PaLI-3 模型之外，研究者還利用最近提出的 SigLIP 方法，構建了一個參數(shù)擴展到 2B 的 SOTA 多語言對比視覺模型。

模型介紹

架構

在更高的層面，PaLI-3 的架構遵循了 Chen et al. （2023b;a）：ViT 模型將圖像編碼為 token，并與問題、提示和指令等文本輸入一起被傳遞到編碼器 - 解碼器結構的 transformer，從而生成文本輸出。

先看視覺組件。研究者使用 SigLIP 訓練方法，從對比預訓練的 ViT-G/14 模型（參數(shù)約為 2B）初始化出 PaLI-3 的視覺基干。簡而言之，他們訓練了圖像嵌入 ViT-G/14 模型和文本嵌入 transformer 模型來分別嵌入圖像和文本，這樣一來，使用圖像和文本嵌入點積的 sigmoid 交叉熵的二元分類器，能夠準確地分類各自的圖像和文本是否相互對應。

這類似于 CLIP 和 ALIGN，但更加高效、可擴展和穩(wěn)健。同時這種方法是為了預訓練 ViT 圖像嵌入組件，因此當將 ViT 插入到 PaLI 時，文本嵌入 transformer 會被丟棄。

再來看完整的 PaLI 模型。ViT 圖像編碼器的輸出在池化之前形成了視覺 token，并線性地映射和添加到嵌入的輸入文本 token。接著這些 token 被傳遞到了預訓練的 3B UL2 編碼器 - 解碼器模型，從而生成文本輸出。該模型的文本輸入通常包含有描述任務類型的提示，并為該任務編碼必要的文本輸入。

訓練

訓練過程包含多個階段。

階段 0：單峰預訓練。圖像編碼器按照 SigLIP 訓練協(xié)議，圖像編碼器的訓練分辨率為 224×224 ；文本編碼器 - 解碼器是一個 3B UL2 模型，按照 Tay 等人描述的混合降噪程序進行訓練。

階段 1：多模態(tài)訓練。將圖像編碼器與文本編碼器 - 解碼器相結合，然后，將這個組合得到的 PaLI 模型在多模態(tài)任務和數(shù)據(jù)上進行訓練，此時，圖像編碼器保持凍結，分辨率還是 224×224。通過對文本質(zhì)量進行啟發(fā)式過濾，并使用 SplitCap 訓練目標，再次從 WebLI 數(shù)據(jù)集派生出主要的混合組件。

階段 2：提升分辨率。高分辨率輸入是一種被廣泛接受的提高性能的方法，這既是因為可以感知圖像中的更多細節(jié)，也是因為通過增加序列長度來提高模型能力。本文通過解凍圖像編碼器來提高 PaLI-3 的分辨率，將檢查點保持在 812×812 和 1064×1064 分辨率。

任務遷移。最后，對于每個單獨的任務（基準），本文使用凍結的 ViT 圖像編碼器在任務的訓練數(shù)據(jù)上微調(diào) PaLI-3 模型；對于大多數(shù)任務，本文微調(diào) 812×812 分辨率檢查點，但對于兩個文檔理解任務，本文將分辨率提高到 1064×1064。

實驗及結果

實驗首先比較了在 PaLI 框架下不同 ViT 模型的結果對比，研究者考慮了兩種 ViT 模型：Classif 和 SigLIP。

結果如表 1 所示，表明雖然 SigLIP 模型的少樣本線性分類有些落后，但通過使用 PaLI-3，SigLIP 模型在更簡單的任務上（例如字幕和問答）提供了適度的增益，并且在更復雜的場景即文本和空間理解任務上取得了巨大增益。

此外，研究者還在 TextCaps、TextVQA、STVQA、OCRVQA、InfographicVQA、DocVQA、ChartQA、Scree2Words、 WidgetCap 數(shù)據(jù)集上評估了 PaLI-3。結果如表 2 所示，在使用外部 OCR 系統(tǒng)的情況下，PaLI-3 僅比 SOTA 方法低 0.7 分。然而，在沒有這種外部系統(tǒng)的情況下，PaLI-3 比所有 SOTA 方法的組合高出 4.4 分。對于 TextCaps、TextVQA、InfographicVQA 和 DocVQA，PaLI-3 的優(yōu)勢超多 8 分甚至更多。

參考表達分割

研究者擴展了 PaLI-3，使其能夠通過類語言輸出來預測分割掩碼。為此，他們利用了 Ning et al. （2023） 的向量量化變分自編碼器（VQ-VAE）。VQ-VAE 經(jīng)過訓練可以學習 128 個掩碼 token，其編碼器可以將 64 × 64 像素的分割掩碼標記為 16 個掩碼 token，解碼器可以轉(zhuǎn)換回來。

研究者訓練 PaLI-3 來預測單個分割掩碼，首先輸出 4 個坐標作為文本，并表示為邊界框。接著是 16 個掩碼 token，表示邊界框內(nèi)的掩碼。

表 1 表明對于此類定位任務，對比預訓練比分類預訓練更有效。下表 3 顯示，完整的 PaLI-3 模型在參考表達分割方面略微優(yōu)于現(xiàn)有技術。

圖像理解

接下來研究者在一般視覺語言理解任務上評估了 PaLI-3。與之前的工作一樣，他們沒有使用外部 OCR 模塊，因為這些基準測試很少涉及圖像中的文本。

結果表明，與最近的 SOTA 模型相比，PaLI-3 的尺寸要小得多，但它在這些基準測試中表現(xiàn)出了非常強大的性能。對于 COCO，PaLI-3 優(yōu)于除 BEiT-3 以及 17B 和 55B PaLI 之外的所有模型。在 VQAv2 和 TallyQA 上，PaLI-3 超過了除 PaLI-X 之外的所有先前模型。對于 OKVQA 任務，PaLI-3 僅落后于 PaLM-E （562B） 和 PaLI-X （55B），但仍然優(yōu)于 32-shot Flamingo （80B） 模型。

視頻字幕和問答

該研究在 4 個視頻字幕基準上對 PaLI-3 模型進行了微調(diào)和評估：MSR-VTT、VATEX、ActivityNet Captions 和 Spoken Moments in Time。此外，該研究在 3 個視頻問答基準上進行了同樣的操作：NExT-QA、MSR-VTT-QA 和 ActivityNet-QA。

盡管沒有使用視頻數(shù)據(jù)進行預訓練，PaLI-3 仍以較小的模型尺寸實現(xiàn)了出色的視頻 QA 結果：在 MSR-VTT-QA 和 ActivityNet-QA 上實現(xiàn)了最先進的性能，并在 NextQA 上取得了具有競爭力的結果。在圖像和視頻 QA 上的持續(xù)改進凸顯了采用對比 ViT 的好處。

此外，PaLI-3 還取得了非常好的視頻字幕結果，平均僅比 SOTA 結果低 3 個 CIDEr 點。考慮到模型尺寸，PaLI-3 在性能和實用性方面似乎都是一個絕佳的選擇。

直接圖像編碼器評估

研究者還評估了 ViT-G 模型，ViT-G 可以理解為不是完整的 PaLI-3，結果如表 6 所示。

首先，該研究使用標準的 ImageNet 基準測試及其兩個最流行的變體來測試圖像分類功能。結果表明，SigLIP 在 top-1 和 v2 準確率方面略有落后，但在 ReaL 方面結果相當。

其次，該研究報告了不同模型在 Crossmodal-3600 基準上的結果。結果表明 SigLIP ViT-G 模型明顯優(yōu)于較大的 ViT-e 模型。

最后，該研究還報告了線性 probing 結果，結果表明 SigLIP 不及其他模型。

表 7 和表 8 評估了模型的公平性、偏差和其他潛在問題。