Author: volica

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初探Sora笔记

网络结构分析 visual patches 支持各种尺寸、各种分辨率、各种长度的视频作为输入:https://arxiv.org/abs/2307.06304 视频降维 最大输入1920×1080 这个网络将原始视频作为输入,并输出一个时空压缩的潜在表示:https://arxiv.org/abs/1312.6114 我们还训练了一个相应的解码器模型(?),将生成的潜在空间映射回像素空间。 Sora本体 diffusion transformer:https://arxiv.org/abs/2212.09748 (transformer网络结构) 另外参考DALLE3(未开源) 参考DALLE2,text-to-image中的text是使用clip进行文到图对齐的,如何结合LLM? 使用时空潜在表示作为token输入,以及条件控制信息(text prompts),预测原始的无噪声patches 基于扩散模型生成先验,通过SDE迭代去噪来合成逼真的图像(或者用来生成训练数据):https://arxiv.org/abs/2108.01073 推理时通过在指定大小的网格中排列随机初始化(高斯噪声?)的patches,来控制生成的视频的大小。 单图 2048×2048 视频 60s 1920×1080 训练数据 大量具有相应文本字幕的视频 我们将DALL·E 3中介绍的re-captioning技术应用于视频,生成字幕? 首先训练一个高度描述性的字幕模型,然后使用它为我们训练集中的所有视频生成文本字幕(提高文本的准确性和视频的整体质量) 利用GPT将短用户提示转换为更长的详细说明 训练任务 首尾衔接的视频 从视频帧向后扩展 指定尾部预测首部 指定首尾,预测中间 mask中间帧 mask图像随机位置? Minecraft游戏:Sora可以使用基本策略控制Minecraft中的玩家,同时以高保真度渲染世界及其动态。(训练集中加入指定提示词Minecraft+首帧+按键指令,预测下一帧+按键指令?进而自动探索?) 涌现能力 3D一致性:Sora可以生成具有动态摄像机运动的视频。随着摄像机的移动和旋转,人物和场景元素在三维空间中保持一致移动。 长程一致性和物体永久性:视频生成系统面临的一个重要挑战是在采样长视频时保持时间上的一致性。我们发现,Sora通常能够有效地模拟短程和长程依赖关系,尽管并非总是如此。例如,我们的模型可以在被遮挡或离开画面时仍然保留人、动物和物体的存在。同样,它可以在单个样本中生成同一角色的多个镜头,并在整个视频中保持它们的外观。 与世界互动:Sora有时可以模拟影响世界状态的简单行为。例如,画家可以在画布上留下新的笔触,这些笔触会随着时间的推移而持续存在,或者一个人可以吃汉堡并留下咬痕。 弱项or幻觉 物理引擎:物理上不可能的动作,不准确的物理建模,不自然的物体“变形”。 出现和消失:动物或人可能会自发地出现,特别是在包含许多实体的场景中。 交互:模拟物体和多个角色之间的复杂交互对模型来说是具有挑战性的。

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[转载]ZLPR: A NOVEL LOSS FOR MULTI-LABEL CLASSIFICATION

为防失效,转载原文,来自 https://kexue.fm/archives/9064 多标签分类问题的统一loss,能媲美精调权重下的二分类方案,这个损失函数有着单标签分类中“Softmax+交叉熵”的优点,即便在正负类不平衡的依然能够有效工作。但从这个损失函数的形式我们可以看到,它只适用于“硬标签”,这就意味着label smoothing、mixup等技巧就没法用了。本文则尝试解决这个问题,提出上述损失函数的一个软标签版本。

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[略读] MMT

Multi-modal Transformer for Video Retrieval 任务 标题到视频和视频到标题检索 贡献 联合编码不同的视频模态(视频帧、ASR、音频) 对时间信息进行编码和建模 联合优化语言嵌入与多模态Transformer 结构 Ω(v) = F(v) + E(v) + T(v) F(v): 为特定任务训练的模型,用于从视频中提取特征,对于一个视频v,每个专家提取一个K个特征(为了将不同的专家特征投影到一个共同的维度空间中,每个专家配1个可学习的线性层) AGG: 用所有相应专家特征的最大池聚合初始化这个嵌入 E(v): 区分不同专家的嵌入 T(v): 时间嵌入,T1~TN,额外的Tagg和Tunk 分别编码聚合特征和未知的时间信息特征 Ψagg(v) = MMT(Ω(v)) 只保留了每个专家的聚合嵌入 Caption 从 Bert 的[CLS]输出中提取 学习函数g与视频专家相同的门控嵌入模块 Gated embedding module 第一层描述了将输入特征Z0投影到嵌入空间Z1的过程。 第二层执行上下文门控,其中使用学习的门控权重σ(W2Z1 + b2)重新加权Z1的各个维度,其值介于0和1之间,其中W2和b2是学习参数。这种门控的动机有两个方面:(i)我们希望在Z1的各个维度之间引入非线性交互;(ii)我们希望通过自门控机制重新校准Z1的不同激活的强度。 最后,执行L2归一化,以获得最终输出Z。 w(c) 表示专家的权重 将h(c)通过一个线性层,然后执行一个softmax操作

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[略读]Emu2

Generative Multimodal Models are In-Context Learners Abstract 人类能够(仅需少量演示或简单指示即可)轻松解决多模态任务的能力,是当前多模态系统在模仿方面遇到的主要困难。在这项工作中,我们展示了大型多模态模型的任务不可知上下文学习能力可以通过有效的扩展显著提高。我们介绍了Emu2,一个具有370亿个参数的生成多模态模型,它是在大规模多模态序列上使用统一自回归目标进行训练的。Emu2展示了强大的多模态上下文学习能力,甚至能够解决需要即时推理的任务,例如视觉提示和基于对象的生成。该模型在少量演示设置下创造了多个多模态理解任务的新记录。当调整为遵循特定指令时,Emu2在挑战性任务上进一步实现了新的最先进水平,例如大型多模态模型的问答基准和开放式主题驱动生成。这些成就表明Emu2可以作为基础模型和广泛范围多模态任务的通用接口。代码和模型可公开获取以促进未来的研究。 2. Approach 2.1 Model Architecture 2.2 Pretraining 2.2.1 Data Emu2的预训练数据包括几个公开可访问的数据集,包括来自LAION-2B [66]和CapsFusion-120M [88]的图像文本对,来自WebVid-10M [8]的视频文本对,来自Multimodal-C4(MMC4)[96]的交错图像文本数据,来自YT-Storyboard-1B [72]的交错视频文本数据,由Kosmos-2 [58]引入的基于图像的文本对GRIT-20M,由CapsFusion-120M策划的基于图像的文本对CapsFusion-grounded-100M。此外,还包括来自Pile [27]的仅语言数据以保留文本推理能力。 2.2.2 Training 与Emu [72]类似,Emu2在多模态序列中使用预测下一个元素的目标进行学习。每个图像都被编码为N = 64维固定的视觉嵌入,并与文本标记交错以构建多模态序列。交错序列然后被馈送到Transformer解码器进行自回归建模。 Emu2首先在图像文本和视频文本对数据上进行文本token的字幕损失的预训练。输入图像被调整为224×224。我们采用AdamW优化器[51],其中β1 = 0.9,β2 = 0.95,ε = 1×10−6。线性投影层的最大学习率为1×10−4,Multimodel Modeling的最大学习率为3×10−5,Visual Encoder的最大学习率为5×10−5。我们在1.62亿个图像文本样本和700万个视频文本样本上对Emu2进行了35000次迭代的预训练。图像文本对的全局批量大小为6,144,用于视频文本对的大小为768。然后,在更高的448像素分辨率下重新启动训练过程,进行额外的4,000次迭代。 然后,我们冻结视觉编码器,仅优化线性投影层和多模型建模,同时使用文本分类损失和图像回归损失。在训练中使用了额外的数据集,包括图像-文本交错数据、视频-文本交错数据、基于图像-文本对的数据和仅语言数据。所有图像都被调整为448×448,最大学习率为1×10-5。我们对图像-文本对数据使用全局批量大小为12,800,对视频-文本对数据使用6,400,对图像-文本和视频-文本交错数据使用3,200,对仅语言数据使用800。训练过程跨越20,350次迭代,消耗了大约1.6亿个图像-文本数据样本和38亿个仅语言数据标记。 2.2.3 Visual Decoding 我们训练了Visual Decoder,直接将Visual Encoder生成的视觉嵌入解码为图像。我们使用SDXL-base[59]作为Visual Decoder的初始化,它完全训练用于解决自编码的新任务。具体而言,我们使用N个视觉嵌入作为Visual Decoder的条件输入,并调整交叉注意力模块中投影层的维度以匹配视觉嵌入的维度。 与Emu [72]不同,其Visual Decoder的每个优化步骤都需要语言模型的自回归推断,Emu2的视觉解码可以被认为是训练一个可以脱机训练的解标记器。一旦训练完成,Visual Decoder与Visual Encoder一起作为图像自编码器,可以将图像标记化为嵌入并解标记化回来。在Emu2推理期间,它生成N个图像嵌入并即时解码为图像。 对于视频数据的解码,我们训练了基于扩散的解码器[68]。类似于[47,75],我们通过在每个2D空间卷积层后插入1D时间卷积,并将空间注意力扩展到空间-时间注意力,将2D去噪U-Net适应为3D风格。该视频解码器通过Stable Diffusion 2.1 [63]进行初始化,并完全训练以生成由Emu2的视觉嵌入条件的视频剪辑。 训练设置。我们使用LAION-COCO [2]和LAION-Aesthetics [1]中的图像来训练视觉解码器,任务是图像自编码。SDXL中的视觉编码器和VAE被冻结,只有U-Net在训练期间更新。我们采用AdamW优化器[51],β1 = 0.9,β2 = 0.999,权重衰减为0.01。我们使用对数学习率热身和线性学习率衰减,峰值学习率为1×10−4,分别为2,000和6,000步。我们过滤掉分辨率小于512×512的图像。Visual Encoder的输入设置为448×448,而Visual Decoder的输出设置为1024×1024。我们还采用了无分类器的指导[31],该指导以10%的概率随机丢弃图像嵌入。总批量大小设置为2,048。 2.3. Instruction Tuning Emu2可以高效地对齐以遵循特定任务指令。我们使用对话数据微调基础模型,得到Emu2-Chat,它能够跟随多模式问题并在对话中做出回应。同样,我们推导出可控的视觉生成模型Emu2-Gen,它能够接受文本、位置和图像的混合作为条件,并生成以指定文本或主题为基础的图像。

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[略读]FROZEN TRANSFORMERS IN LANGUAGE MODELSARE EFFECTIVE VISUAL ENCODER LAYERS

ABSTRACT 本文揭示了大型语言模型(LLMs)尽管仅在文本数据上进行训练,但在没有语言的情况下,它们仍然是纯视觉任务的强大编码器。更有趣的是,这可以通过一种简单但以前被忽视的策略实现 – 使用来自预训练LLMs的冻结Transformer块作为组成编码器层,直接处理视觉令牌。我们的工作推动了利用LLMs进行计算机视觉任务的边界,显著偏离通常需要与相关语言提示,输入或输出的多模式视觉语言设置的传统做法。我们证明了我们的方法在各种任务中始终提高性能,包括纯2D和3D视觉识别任务(例如,图像和点云分类),时间建模任务(例如,动作识别),非语义任务(例如,运动预测)和多模式任务(例如,2D / 3D视觉问答和图像文本检索)。这种改进是一种普遍现象,适用于各种类型的LLMs(例如LLaMA和OPT)和不同的LLM Transformer块。我们还提出了信息过滤假设来解释预训练LLMs在视觉编码中的有效性 – 预训练LLM Transformer块识别信息丰富的视觉令牌并进一步放大它们的效果。这个假设在经过LLM Transformer块训练后的特征激活中得到了实证支持,表现出更强的关注相关区域的特征激活。 源码 1 INTRODUCTION 大型语言模型(LLMs)在大量文本数据的训练下,最近展示了在各种任务中的显著潜力,超越了它们最初的语言领域。例如,在计算机视觉领域,LLMs表现出与视觉令牌交互并将它们解码为令牌化输出的能力。这通常是通过将视觉令牌通过线性层(Koh等人,2023; Lin等人,2023; Merullo等人,2023; Schwettmann等人,2023)投影到LLMs中,或者在视觉和语言令牌之间使用交叉注意机制(Alayrac等人,2022; Li等人,2022; 2023; Wang等人,2023)来实现的,作为语言模态的例子。随着我们探索利用LLMs进行计算机视觉任务的极限,一个有趣的问题出现了:LLMs能否有效地处理完全基于视觉的任务,而不依赖于语言? 本文提供了一个积极的可行性演示,介绍了一种简单但以前被忽视的方法:将预训练的LLM中的冻结Transformer块作为通用视觉编码器层,直接处理视觉标记。具体而言,如图1a和图1b所示,我们的设计包括以下步骤:(1)提取冻结的LLM Transformer块并将其附加在原始视觉编码器之上;(2)在添加的LLM块之前和之后插入可训练的线性层以对齐特征维度;(3)在训练期间像往常一样优化其他模块时冻结LLMTransformer。 令人惊讶的是,这种简单的设计可以提高各种任务的性能,包括2D和3D识别(图像和点云分类)、视频理解(动作识别)和非语义(运动预测)任务。除了这些纯视觉任务外,我们的方法在多模态任务(2D/3D视觉问答和图像-文本检索)中也非常有效。值得注意的是,这种改进在各种类型的LLM(如Touvron等人的LLaMA(2023)和Zhang等人的OPT(2022))以及不同的LLM Transformer块中都是普遍的。 我们发现使用预训练的LLM transformer块作为视觉编码器层是有趣的,因为它显著偏离了视觉语言模型(VLM)的传统设计。特别是,我们将LLM transformer视为编码器(1)独立于语言提示、输入或输出运作;(2)允许从头开始训练,无需像CLIP(Radford等人,2021)这样的预训练骨干;以及(3)将LLM的使用解耦并简化为单独的transformer块。 然而,一个关键问题仍然存在:为什么LLM在视觉编码方面有效,考虑到它们仅在文本上进行了训练,从未遇到过视觉数据?为此,我们提出了信息过滤假设:预训练的LLM transformer块识别信息丰富的视觉标记,并进一步增强它们对潜在表示的贡献。这个假设源于我们在多个任务中的观察,其中特征激活在整合冻结的LLM transformer块后始终展现出更强的关注相关区域的焦点。 总之,我们做出了以下贡献: 我们发现使用预训练LLMs的冻结Transformer块作为视觉编码器层,通过引入一种简单但未被充分利用的方法,可以促进各种任务的多样性。 通过我们对各种LLMs和transformer 块的调查,我们证明了冻结LLM Transformer在视觉编码中的好处是一种普遍现象。 我们提出了信息过滤假设来解释冻结LLM Transformer在处理视觉令牌时的有效性:合并的LLM块区分信息丰富的令牌并放大它们的效果。 我们希望我们的工作能够引起人们对使用LLM Transformer作为通用编码器的有趣应用的关注,不仅适用于视觉输入,还可能适用于其他模态。此外,我们希望激发对理解LLMs / VLMs的新视角的启示。 3 METHOD: FROZEN LLM TRANSFORMER FOR VISUAL ENCODING 与视觉语言模型的比较 我们的方法乍一看似乎与最近的视觉语言模型(VLMs)相似,例如Lin等人(2023年)、FROMAGe(Koh等人,2023年)和LiMBeR(Merullo等人,2023年),其中线性层直接将视觉特征投影到LLMs的输入空间中。然而,我们的方法是不同的,因为线性层F1L不一定将视觉表示z对齐到语言空间中。具体而言,这体现在三个方面:(1)视觉预训练的独立性。我们的范例支持从头开始训练,不依赖于像CLIP(Radford等人,2021年)这样的预训练视觉编码器。(2)语言的独立性。我们的框架可以在没有基于语言的输入或提示的情况下运行,并且它适用于一般的视觉表示学习,而不仅仅是视觉语言任务。(3)转换块的独立性。以前的VM将LLM视为一个连贯的模块,而我们的框架将每个Transformer块分离为一个独立的视觉编码层。 与LLMs的比较。由于视觉和文本数据之间的不同格式,我们大大改变了LLM Transformer的行为。 (1)注意力掩码。LLMs通常利用自回归掩码来模拟文本生成的顺序。然而,视觉数据中的标记一次性出现,例如猫的图像标记(图1a)。因此,我们放弃自回归注意力掩码,仅使用注意力掩码来指示填充标记。 (2)位置嵌入。LLMs中的位置嵌入,例如LLaMA中的旋转位置嵌入(Su等,2021),不是视觉编码器的常见选项。因此,我们为简单起见和与原始视觉骨干的一致性而删除LLMs的位置嵌入。考虑到Transformer 中注意力掩码和位置嵌入的重要性,令人惊讶的是,我们的框架对视觉任务仍然产生了积极影响。 4 APPLICABILITY OF LLM TRANSFORMERS FOR VISUAL TASKS 我们将我们的框架实例化到各种任务中,并观察预训练LLM转换器的广泛适用性。我们的实验涵盖了2D(图像分类)和3D(点云分类),单帧和多帧(动作识别),语义和运动(运动预测),以及涉及语言输入或不涉及语言输入的2D和3D视觉语言任务。默认情况下,我们采用LLaMA-7B(Touvron等人,2023)的最后一个Transformer块。我们的框架在这些任务中遵循先前工作的标准,实现了一致且显著的改进。有关我们设计的更多分析,请参见第5节。 4.1 IMAGE CLASSIFICATION 任务说明 我们在ImageNet1k(Deng等人,2009)上进行准确性实验,并额外评估鲁棒性:来自ImageNet-C(Hendrycks&Dietterich,2018)的损坏图像,来自ImageNet-A(Hendrycks等人,2021b)的自然对抗图像,以及来自ImageNet-SK(Wang等人,2019)和ImageNet-R(Hendrycks等人,2021a)的超出分布的图像。 实验设计 由于其广泛使用和对transformer的原始支持我们选择ViT结构(Dosovitskiy等人,2021)。根据方程式2中的符号,编码器FE是ViT中的自我注意 transformer 块集,解码器FD是线性分类器。 LLaMA Transformer插入在编码器和解码器之间,如图1a所示。我们遵循DeiT(Touvron等人,2021)的相同配置,从头开始训练基线ViT模型和ViT-LLaMA。有关实现详细信息,请参阅第C.1节。 结果分析 在表1中,包括对干净ImageNet图像,受损、对抗和超出分布图像的准确性,ViT模型的准确性在合并冻结的LLaMA Transformer块后持续提高。我们的进一步实验验证了改进与LLM Transformer密切相关,而不是仅仅增加模型容量的结果。有关实现详细信息,请参阅第5.1节。我们也在第6节中进一步解释了收益来源的信息过滤假设。 4.4 MOTION FORECASTING 任务说明 我们选择运动预测作为非语义任务的例子。这对于自动驾驶来说是安全关键的,并且利用了动力学、代理-代理交互和代理-车道关系的理解。输入通常包括代理的历史轨迹和车道段的路标,两者都在鸟瞰图上用折线表示。期望的输出是一组K个最可能的未来轨迹,其中多个未来设置明确考虑了城市交通的不确定性。我们在Argoverse上进行实验(Chang et al.,2019),评估指标为最小平均位移(ADE)、最小最终位移(FDE)、脱靶率(MR),分别从不同方面计算预测的误差,在较低值时更好。 实验设计 我们将冻结的LLM transformer 应用于VectorNet(Gao等人,2020)和mmTransformer(Liu等人,2021)。这两个模型首先将代理和车道的折线转换为令牌嵌入,并且它们的编码器利用一系列注意块来处理这些代理和车道令牌。我们的LLaMA transformer 块位于它们的编码器后面,并在将目标代理的特征馈送到解码器之前处理这些代理和车道令牌。 由于运动预测在计算机视觉中不是很常见的任务,我们直观地在图G中展示了它的问题设置和模块化架构,其中VectorNet(Gao等人,2020)和mmTransformer(Liu等人,2021)将每条车道或代理轨迹编码为令牌嵌入,然后我们的LLM块处理这些令牌并将它们馈送到回归解码器中。由于 VectorNet 和mmTransformer 没有发布他们的训练代码,我们在自己的代码上重现了他们的结果,并取得了比论文中报告的更好或类似的结果。正如表C和表D中所示,我们论文中使用的基线(表4)与论文中的原始性能相当甚至更好,这对于公正和有意义的比较至关重要。 在训练期间,我们分别训练VectorNet或mmTransformer。VectorNet是一个相对简单的架构,因此它的训练持续60个时期,采用余弦退火学习率调度(Loshchilov&Hutter,2016)。我们使用AdamW优化器(Kingma&Ba,2014; Loshchilov&Hutter,2017),学习率为5e-4,批量大小为32个样本。对于mmTransformer,我们使用与VectorNet相同的学习率,批量大小和优化器进行训练。训练持续32个时期,在第20、24和28个时期上将学习率降低1/4。这两个模型的训练时间约为1个A100...

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[瞎读]VISION-LANGUAGE INTEGRATION IN MULTIMODAL VIDEO TRANSFORMERS (PARTIALLY) ALIGNS WITH THE BRAIN

视觉-语言融合在多模态视频Transformer中与部分大脑一致 ABSTRACT 整合来自多种模态的信息可以说是使人工智能系统具有对真实世界的理解的基本先决条件之一。最近,视频Transformer在时间上联合学习视觉、文本和声音方面取得了一些进展,但这些模型整合模态信息的程度仍然不清楚。在这项工作中,我们提出了一种有前途的方法,通过利用神经科学证据来探究预训练的多模态视频Transformer模型。利用参与者观看流行电视节目的脑电记录,我们分析了预训练的多模态视频Transformer中多模态连接和交互对单模态和多模态脑区的对齐效果。我们发现,视觉增强了语言处理中的掩码预测性能,提供了支持,即模型中的跨模态表示可以有益于单个模态。然而,我们没有发现联合多模态Transformer表示捕获了超出所有单个模态捕获的与大脑相关的信息。最后,我们展示了通过使用需要视觉语言推理的任务进行微调,可以改善预训练联合表示的大脑对齐效果。总的来说,我们的结果描绘了多模态Transformer在部分与大脑相关的方式中整合视觉和语言的能力的乐观画面,但也表明改善这些模型的大脑对齐可能需要新的方法。 1 INTRODUCTION 我们对日常环境的深入理解需要使用多种模态,例如视觉和语言输入。为了成功利用多模态输入,人工智能系统必须学习两个重要的愿望:跨模态连接和多模态交互。在本文中,我们将跨模态连接定义为不同模态相关时存在的共享信息,将多模态交互定义为这些模态集成时产生的新信息(Liang等,2022)。 虽然最近已经取得了使用多个输入模态进行学习的模型的进展,但模型实现这些愿望的程度仍不清楚。它们可能在学习阶段忽略了复杂的多模态集成,而更倾向于每个单独模态内的简单连接(Hessel&Lee,2020;Frank等,2021)。在这项工作中,我们转向我们唯一拥有的真正集成复杂视觉和复杂语言信息的系统-人脑-以改善我们对流行的多模态视频Transformer中视觉语言交互和集成的理解。使用参与者观看流行电视节目的脑记录,我们分析了预训练的多模态视频Transformer中跨模态连接和交互对其与单模态和多模态脑区域的对齐效果(即能否预测与这些区域相对应的脑记录)。 我们的方法基于两个关键认知。第一个是利用以前的神经科学发现,这些发现已经映射了参与视觉和语言处理的大脑区域,并在模型和人类参与者观察相同的视频输入时调查模型与这些特定脑区的对齐情况。我们预计,能够学习如何以与大脑相关的方式连接和整合视觉和语言模态的模型将与这些区域显著对齐。然而,与这些脑区的对齐并不足以表明模型成功连接和整合多种模态,因为单模态的视觉或语言模型也已被证明与这些脑区显著对齐。 为了解决这个问题,我们的第二个关键动作是将联合视觉语言模型内部状态的脑对齐与从相同模型获得的内部状态的脑对齐进行对比,但在不同的条件下进行了精心设计,以揭示模型是否以与大脑相关的方式连接和整合多模态信息。我们在图1中呈现了对比的示意图。具体而言,我们调查与语言区域的脑对齐,并将联合视觉语言表示的脑对齐与以下进行对比:1)与可比模型设置但没有视觉输入的仅语言表示的脑对齐,以及2)语言和视觉表示的加性脑对齐。如果模型能够以与大脑相关的方式连接视觉和语言模态,我们预计联合表示将显著增加与语言区域的对齐(即对比1)。其次,如果模型进一步以与大脑相关的方式整合模态,我们预计联合表示的对齐将显著改善,超过仅语言和视觉表示的单独效果的加性脑对齐(即对比2)。我们将重点研究多模态表示对大脑中与语言相关的信息的益处,因为我们调查的流行模型是预先训练的,以预测语言信息(即掩码文本和音频片段),因此我们预计对大脑对齐的最大影响将在语言区域。 我们从对比1的结果发现,联合视觉语言表示可以显著提高与语言区域的对齐性,而仅有语言表示则无法做到。我们进一步分析了视觉模态所贡献的对齐性增加的原因,并发现这在很大程度上与掩码语言预测性能有关。这些发现表明,多模态Transformer中的跨模态交互可以使各个模态受益。然而,我们没有发现预训练的联合多模态Transformer表示捕获了除所有单独模态之外的与大脑相关的信息(对比2)。最后,我们发现,通过微调视觉语言问答任务,可以提高联合多模态表示的大脑对齐性,这被认为需要两种模态之间的推理。总的来说,这些结果有助于理解当前视频Transformer中的大脑相关多模态连接和交互,并为计算建模大脑中的多模态信息处理开辟了新的途径。 我们的主要贡献可以总结如下:(i)我们提供了一种使用多模态脑记录探测多模态连接和交互的方法。(ii)使用精心设计的对比条件,我们展示了一种流行的多模态视频Transformer部分与大脑中的视觉语言整合相一致的证据。(iii)我们证明了视觉可以在大脑中对语言处理做出贡献,这在很大程度上是由于掩码语言建模。 3 METHODS 我们使用MERLOT Reserve(Zellers等人,2022年)的“基础”版本,这是一个多模态视频转换器,可以提供给定视频的强大上下文表示-联合推理视频帧,文本和音频。该模型在2000万个YouTube视频上进行了预训练,以通过对比遮蔽跨度学习目标学习跨模态的脚本知识。它由一个具有768个隐藏大小的12层联合编码器组成。联合编码器结合了3个独立的单模编码器的输出-一个12层图像编码器,一个12层音频编码器和一个4层文本跨度编码器,并提供视频的序列级表示。在接下来的工作中,我们专注于当视频和相关音频提供给模型时的视觉语言表示,然后是’MASK’令牌。 4 Result 4.1 CROSS-MODAL CONNECTIONS 当前的多模态视频模型是否学习了单个模态之间与大脑相关的跨模态连接?由于我们的主要关注点是理解视觉对语言的影响,因此我们比较了语言区域中视觉-语言和仅语言表示之间的大脑对齐情况。在附录C中,我们进一步探讨了视觉-语言表示和仅视觉表示在视觉区域之间的大脑对齐情况,扩展了先前关于语言对视觉影响的研究(即Wang等人(2022))到完全多模态设置。 视觉语言表示显著改善了与语言区域的一致性。我们发现,结合视觉模式的输入显著改善了大脑对语言区域的一致性(Fedorenko等人,2010),如图2(左)1所示。结果表明,模型学习的跨模式表示(即语言视觉)可以在一定程度上使单个模式(即语言)受益。这种改善不能是由于联合编码器中对语言特定信息的进一步处理,因为语言输入处理的深度在这两种情况下是相同的。这不太可能是由于仅视觉信息,因为这些区域已知支持语言处理,如图2所示,仅视觉表示不会在这些区域产生强烈的预测。.我们进一步观察到,大脑对齐的对比度大多在模型的后期层(9-11)达到峰值,这表明这些模型的后期层编码了视频刺激最与大脑相关的属性(参见附录D中的更多细节)。这一发现与大型语言模型中的大脑对齐结果形成鲜明对比,例如BERT(Toneva&Wehbe,2019)和GPT-2(Caucheteux&King,2022),它们在中间层达到峰值。 一些但不是所有的多模态区域都观察到了显著的改进。语言网络由多个脑区组成,其中一些已知更具有模态特异性,而其他脑区则涉及整合来自多个模态的信息。为了确定语言区域中视觉模态输入显著增强脑预测的区域,我们在图2(右)中呈现了每个语言区域中显著预测的体素的脑对准对比,计算了所有12层。我们观察到在6个参与者中,角回、右中央前回和后扣带回之间的显著差异在视觉-语言表示和仅语言表示之间。其中,语言-视觉表示最好预测角回的脑活动,角回是一个已知参与多模态整合的脑区,无论信息是由视觉还是语言网络处理的,都会对语义信息做出反应(Popham等,2021)。我们的发现表明,通过视觉和语言之间的跨模态连接,将视觉输入纳入模型可能会增强模型的能力,可能类似于在角回区域观察到的视觉和语言表示的融合。我们还观察到,当前模型未能准确预测其他多模态区域的脑活动,例如前颞叶(ATL),这在ATL损伤中观察到的受损语义识别中是明显的(Julie等,1989)。我们怀疑我们通过消除当前模型中的视觉信息所确定的视觉益处远未完全包括大脑中正在进行的整合多模态过程的整个谱系。 视觉信息(在很大程度上)有助于遮蔽语言建模。当来自视觉模态的输入被合并时,什么导致了与多模态区域的改进对齐?一个假设是,模型通过预训练任务学习跨模态信息-预测遮蔽的标记(单词或音频),从而更好地与语言处理期间的大脑表示对齐(Goldstein等人,2022)。为了调查这一点,我们通过从模型的表示中删除遮蔽标记的真实表示来评估模型实际上依赖于视觉信息来预测遮蔽语言信息的程度(有关更多详细信息,请参见附录F)。然后,我们使用这些残差表示来评估大脑对齐的结果变化。在图3(左)中,我们观察到角回的大脑对齐中“完整”和“完整(-遮蔽)”之间的显着对比。这一发现表明,与遮蔽语言预测相关的大量视觉信息在改善角回内的对齐方面发挥了至关重要的作用。在去除了与蒙蔽语言预测相关的信息后,在角回中观察到视觉语言表征和纯语言之间没有显著差异。这一发现可能作为证据,表明模型已经学会利用跨模态信息来预测其他模态中的蒙蔽令牌,与它们预先训练的目标相一致。它还提供了证据,表明视听对应可能是塑造角回作为多感觉信息融合的跨模态枢纽的重要因素(Seghier,2013)。然而,即使去除了蒙蔽语言信息的预测,在一些大脑区域,包括右侧额叶中回和后扣带回皮层,视觉语言表征和纯语言表征的残差之间仍然存在差异,如图3(中间,右)所示。.我们怀疑这些大脑区域捕获的信息可能与一些高水平的跨模式连接有关,这些连接不仅仅是视觉信息和掩蔽语言信息之间的统计对应。这一假设可能会在未来的工作中进一步探索。 4.2 MULTI-MODAL INTERACTIONS|多模态交互 当前的模型是否在形成表示时融合了多模态交互,以至于它们可以比单个模态更好地预测一些脑区?为了研究这个问题,我们研究了视觉语言表示和残差表示之间的脑对齐对比,当语言单独表示(没有视觉模态)和视觉单独表示(没有语言模态)被移除时。我们的主要研究重点在于角回,因为与其他感兴趣区域相比,它是从模型表示中最强烈预测的区域。 预训练模型中没有编码与大脑相关的多模态交互的证据。在图4(左)中,我们没有观察到与多模态交互相关的残差表示和所有语言区域(包括角回)中的随机基线之间存在任何实质性差异。这表明预训练模型可能无法充分捕捉与大脑相关的多模态交互。这可能有两个主要原因:1)多模态交互过于复杂,无法通过预训练目标学习。虽然该模型展示了利用一些跨模态信息进行预测的能力,但在学习超过两种模态中现有知识的新信息时,它可能会遇到限制。2)即使考虑到人类观众,数据集中并不是每个视频都必须需要额外的多模态交互来被动观看电视节目。在某些情况下,一种模态可能会主导内容,导致观众忽略另一种模态中发生的事情。 为了进一步探究这些可能性,我们进行了一项额外的分析,可能会提高模型表示多模态信息的能力。我们测试了在电视问答任务上微调预训练模型对脑部对齐的影响,这被认为需要语言和视觉之间的推理。我们假设:1)为这个任务微调可能有助于模型捕捉只有在整合两种模态时才出现的新信息。这可能会导致在被动观看的情况下与脑相关的多模态整合更好的对齐。2)TVQA数据集可能包含大量视频样本,其中多模态整合证明比仅依赖于单个模态更有益。有关微调的更多详细信息请参见附录G。作为一个合理性检查,我们评估了将中间层的表示馈送到预训练和微调模型的预测层时的任务性能。我们发现,预训练模型在所有条件下的表现都是随机的,而微调模型即使在缺少一个模态的情况下也能回答大部分问题(见图4(右))。 预训练和微调模型的早期和中期层次在大脑对齐方面相似。我们首先关注比较预训练模型与微调TVQA模型的大脑对齐情况。我们在图5(左,蓝色 vs. 红色)中展示了这种对比,针对语言区域中显著预测的体素。我们观察到,除了角回外,微调模型的早期和中期层次在所有已确定的语言区域中表现出与其预训练对应物相当的大脑对齐。 任务相关的顶层变化与大脑表征不一致。微调模型的顶层相比于预训练模型在预测大脑活动方面显示出显著的下降。我们观察到这些微调模型的后期层在问答任务上的准确性也呈现出明显的增加。这个结果与之前的研究发现相结合,即后期层似乎编码了更多的任务特定信息(Merchant等人,2020;Zhou&Srikumar,2021;Durrani等人,2021;Mosbach等人,2020),表明并非所有编码在大脑表征中的特征都与任务相关。一个可能的原因是,大脑活动是在参与者仅仅观看节目而不是回答问题时记录的。 对于视觉语言问答的微调可以改善某些区域的大脑对齐。在图5(左)中,我们展示了角回对齐的实质性改善,当模型被训练用于视觉语言推理任务时,与预先训练的模型相比。一个有趣的观察是,这种改善主要在模型的早期和中层观察到,而不是顶层。这一发现表明被动观看数据中固有的与大脑相关的信息在塑造刺激的表征方面起着关键作用,即使是在回答关于电视节目的额外任务问题时。一个假设是被动观看期间的一些大脑过程支持更多特定任务的推理过程(例如自卑)。这一假设可能会在未来的工作中进一步探索。 改进的大脑对齐部分归因于多模态交互。为了量化微调增强角回中与大脑相关的多模态交互的程度,我们通过从联合视觉语言表示中删除仅视觉和仅语言表示来进行残差分析。然后,我们测量残差表示与大脑的对齐情况,并将结果与TVQA噪声上限显示在图5(右侧)。我们观察到多模态交互的残差明显高于随机基线。这些发现表明,角回中的改进对于增强多模态交互可能是足够的。了解这种改进对齐的具体原因是下一步的重要步骤。 5 DISCUSSION AND CONCLUSION 我们提议使用多模态脑活动来解释预训练多模态视频变换器的内部表示,这依赖于多模态视频刺激和脑响应之间的属性关系。我们通过测量模型与单模态和多模态脑区在对比条件下的对齐程度来研究模型学习脑相关多模态连接和交互的程度。我们的结果表明,跨模态表示模型确实可以提高单个模态的脑对齐度。我们确定了其中一个关键原因:视觉输入的融合增强了部分在角回中处理的掩码语言预测,这是一种主要的语言区域。然而,在预训练模型中没有观察到与脑相关的多模态交互的证据。最后,我们展示了通过针对需要语言和视觉之间推理的任务进行微调,可以增强预训练变换器中多模态交互的脑对齐度。 我们将我们的工作定位在神经科学和机器学习的交叉点上,对两个领域都有影响。对于机器学习的影响:我们展示了模型通过预测掩码标记学习了多模态连接的脑相关程度。我们提供了新的证据表明跨模态连接可以使单个模态受益。我们确定了当前模型未能捕捉到多模态交互的原因,使用脑作为测试平台。我们提出了一种有前途且足够有效的方法来改进:微调需要语言和视觉之间推理的任务。对于神经科学的影响:我们提出了音频-视觉对应信息(通过MASK学习)在语言区域(角回)中处理的证据。我们的发现有助于表征角回和语言网络更广泛处理的多模态信息。最近的研究表明,多模态图像字幕模型可以更好地解释高级视觉语义,而不是单模态模型(Wang等人,2022; Reddy Oota等人,2022)。我们以三种方式为这一工作做出贡献:1)我们展示了视觉信息对语言处理的影响。2)我们将设置扩展到完全多模态脑记录。3)我们使用多模态视频变换器,展示了它们作为研究视频刺激的脑表示的有价值资源的潜力。 我们工作的一个限制是它研究了一种多模态视频模型类型,并使用了一个电视节目的脑数据集。在实践中,很难找到适合的开源模型,这些模型可以共同学习表示来自音频、文本和视觉的视频,同时保持可比较的大小、架构和训练数据。未来,我们希望我们的方法可以用于研究更多多模态视频模型的脑相关性,随着更多这样的模型公开发布,并可以扩展到多个多模态脑数据集。我们的工作也受到TVQA数据集(Winterbottom等人,2020)可能存在的单模态偏见的限制,这可以通过更多真正需要多个模态之间交互才能执行任务的基准数据集来解决。 未来的工作可以建立在我们的发现基础上,通过在TVQA数据集上微调模型,大大增强脑相关的多模态集成。

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[略读]Big Bird: Transformers for Longer Sequences

Abstract 基于Transformer的模型,例如BERT,已成为自然语言处理中最成功的深度学习模型之一。不幸的是,它有一个核心限制是全局注意力机制对序列长度具有二次方的依赖性(主要是在显存方面)。为了解决这个问题,我们提出了BIGBIRD,一种稀疏注意力机制,将这种二次依赖性降低到线性。我们展示了BIGBIRD是序列函数的通用逼近器,并且是图灵完备的,从而保留了二次全局注意力模型的这些属性。在此过程中,我们的理论分析揭示了具有O(1)全局标记(例如CLS)的一些好处,这些标记作为稀疏注意力机制的一部分关注整个序列。所提出的稀疏注意力可以在类似硬件限制下处理比之前长8倍的序列。由于具有处理更长上下文的能力,BIGBIRD在各种自然语言处理任务(例如问答和摘要)中显着提高了性能。我们还提出了基因组数据的新应用。 1 Introduction 基于Transformer的模型[91],如BERT [22,63],在各种自然语言处理(NLP)任务中取得了巨大成功,因此成为现代NLP研究的支柱。它们的多功能性和稳健性是广泛采用Transformer的主要驱动力。该模型可以轻松适应各种基于序列的任务-作为翻译[91],摘要[66],生成[15]等的seq2seq模型,或作为情感分析[83],POS标记[65],机器阅读理解[93]等的独立编码器-并且已知远远优于先前的序列模型,如LSTM [37]。 Transformer的关键创新在于引入了自我注意机制,可以并行评估输入序列的每个令牌,消除了循环神经网络(如LSTM)中的顺序依赖性。这种并行性使Transformer能够利用现代SIMD硬件加速器(如GPU / TPU)的全部功能,从而促进在前所未有的规模数据集上训练NLP模型。这种大规模数据训练的能力导致出现了像BERT [22]和T5 [75]这样的模型,它们在大型通用语料库上预训练变压器,并将知识转移到下游任务。预训练已经在低数据范围下游任务[51]以及具有足够数据[101]的任务中导致了显着的改进,因此已成为当代NLP中Transformer普及的主要力量。 自注意机制通过允许输入序列中的每个标记独立地关注序列中的每个其他标记,克服了RNN的限制(即RNN的顺序性质)。这种设计选择具有几个有趣的影响。特别是,完全自我注意力具有计算和内存要求,其与序列长度成二次关系。我们注意到,虽然语料库可能很大,但在许多应用程序中提供上下文的序列长度非常有限。使用当前常用的硬件和模型大小,这一要求转化为大致能够处理长度为512个标记的输入序列。这降低了它对需要更大上下文的任务的直接适用性,如QA[60]、文档分类等。 然而,虽然我们知道自我注意力和Transformer很有用,但我们的理论理解还很基础。自我注意力模型的哪些方面对其性能是必要的?我们对Transformer和类似模型的表达能力能说些什么?事先,甚至从设计上来看,所提出的自我注意力机制是否像RNN一样有效都不清楚。例如,自我注意力甚至不遵守序列顺序,因为它是置换等变的。这个问题已经部分得到解决,因为Yun等人[104]表明,Transformer足够表达所有具有紧凑域的连续序列到序列函数。同时,Pérez等人[72]表明,完整的Transformer是图灵完备的(即可以模拟完整的图灵机)。两个自然的问题出现了:我们能否使用更少的内积实现完全二次自我注意力方案的经验优势?这些稀疏的注意机制是否保留了原始网络的表达能力和灵活性? 在本文中,我们解决了上述两个问题,并提出了一种稀疏注意机制,可以提高需要长上下文的多种任务的性能。我们系统地开发了BIGBIRD,这是一种注意机制,其复杂度与标记数量成线性关系(第2节)。我们从图稀疏化方法中获得灵感,并理解当全注意力放松形成所提出的注意模式时,Transformer的表达能力证明出现问题的地方。这种理解帮助我们开发了BIGBIRD,它在理论上同样具有表达能力,并且在实践中也很有用。特别是,我们的BIGBIRD由三个主要部分组成: 一组全局标记出现在序列的所有部分。 所有标记都关注一组w个本地相邻标记。 所有标记都关注一组r个随机标记。 这使高性能的注意力机制可以扩展到更长的序列长度(8倍)。总之,我们的主要贡献是: BIGBIRD 满足全变压器的所有已知理论属性(第3节)。特别地,我们表明添加额外的令牌允许使用仅 O(n) 内积表达所有连续序列到序列函数。此外,我们表明在关于精度的标准假设下,BIGBIRD 是图灵完备的。 实证上,我们表明 BIGBIRD 建模的扩展上下文有益于各种 NLP 任务。我们在许多不同数据集上实现了问答和文档摘要的最新结果。这些结果的摘要在第4节中呈现。 最后,我们介绍了一种基于注意力模型的新应用,其中长上下文是有益的:提取类似 DNA 的基因组序列的上下文表示。通过更长的掩码 LM 预训练,BIGBIRD 提高了下游任务的性能,例如预测启动子区域和染色质剖面(第5节) 1.1 Related Work 有许多有趣的尝试旨在缓解Transformer的二次依赖性,可以广泛地分为两个方向。第一类工作采用长度限制并围绕其开发方法。此类别中最简单的方法只是使用滑动窗口[93],但通常大多数工作都符合以下一般范例:使用某些其他机制选择较小的相关上下文子集送入Transformer,并可选地迭代,即每次使用不同的上下文调用变压器块多次。最著名的是SpanBERT [42],ORQA [54],REALM [34],RAG [57]已经为不同的任务实现了强大的性能。然而,值得注意的是,这些方法通常需要大量的工程努力(例如通过大规模最近邻搜索进行反向传播),并且难以训练。 第二类工作质疑全注意力是否必要,并试图提出不需要全注意力的方法,从而减少内存和计算要求。著名的Dai等人[21],Sukhbaatar等人[82],Rae等人[74]提出了自回归模型,这些模型在从左到右的语言建模方面表现良好,但在需要双向上下文的任务中表现不佳。Child等人[16]提出了一种稀疏模型,将复杂度降低到O(n√n),Kitaev等人[49]通过使用LSH计算最近邻,进一步将复杂度降低到O(nlog(n))。Ye等人[103]提出了数据的二进制分区,而Qiu等人[73]通过使用块稀疏性来降低复杂度。最近,Longformer [8]引入了一种基于局部滑动窗口的掩码,其中包含少量全局掩码,以减少计算量,并将BERT扩展到更长的序列任务。最后,我们的工作与Extended Transformers Construction [4]的工作密切相关且基于其构建。这项工作旨在为Transformer中的文本编码结构。他们广泛使用全局标记的想法来实现他们的目标。我们的理论工作可以被视为为这些模型的成功提供了理论上的证明。值得注意的是,大多数上述方法都是基于启发式的,并且在经验上不如原始Transformer那样多才多艺和强大,即相同的架构在多个标准基准测试中都不能达到SoTA。 (有一个例外是Longformer,我们在所有比较中都包括它,请参见附录E.3以获取更详细的比较)。此外,这些近似不带有理论保证。 2 BIGBIRD Architecture 在本节中,我们使用广义注意机制描述BIGBIRD模型,该机制在Transformer的每个层上操作输入序列X =(x1,…,xn)∈ Rn×d。广义注意机制由有向图D描述,其顶点集为[n] = {1,…,n}。弧(有向边)集表示注意机制将考虑的内积集。设N(i)表示D中节点i的出邻居集,则广义注意机制的第i个输出向量定义为: 其中Qh,Kh:Rd → Rm分别是查询和键函数,Vh:Rd → Rd是值函数,σ是评分函数(例如softmax或hardmax),H表示头数。还请注意,XN(i)对应于仅堆叠{xj:j∈N(i)}而不是所有输入形成的矩阵。如果D是完整的有向图,则我们恢复了Vaswani等人的完整二次注意机制[91]。为了简化我们的阐述,我们将在图D的邻接矩阵A上操作,即使底层图可能是稀疏的。具体而言,A∈[0,1]n×n,其中A(i,j)=1表示查询i关注键j,否则为零。例如,当A是全1矩阵(如BERT中),它会导致二次复杂度,因为所有标记都会关注其他标记。将自我关注视为完全连接的图,可以利用现有的图论来帮助减少其复杂度。现在,将自我关注的二次复杂度降低的问题可以看作是一个图稀疏化问题。众所周知,随机图是扩展器,并且可以在许多不同的上下文中近似完全图,包括它们的谱特性[80,38]。我们认为,用于注意机制的稀疏随机图应具有两个期望:节点之间的平均路径长度较小和局部性的概念,我们将在下面讨论每个期望。 让我们考虑最简单的随机图构造,即Erdős-Rényi模型,其中每条边都以固定概率独立选择。在这样一个仅有约Θ(n)条边的随机图中,任意两个节点之间的最短路径是节点数量的对数[17, 43]。因此,这样一个随机图在谱上近似于完全图,其邻接矩阵的第二个特征值与第一个特征值相差很远[9, 10, 6]。这个特性导致了随机游走在图中的快速混合时间,这意味着信息可以在任意一对节点之间快速流动。因此,我们提出了一种稀疏注意力,其中每个查询关注r个随机选择的键,即A(i,·) = 1,其中r是随机选择的键的数量(见图1a)。 第二个启发BIGBIRD创建的观点是,在NLP和计算生物学中的大多数上下文中,数据显示出很强的引用局部性。在这种现象中,可以从相邻的标记中推导出有关标记的大量信息。最相关的是,Clark等人[19]研究了NLP任务中的自我关注模型,并得出结论,相邻的内积非常重要。语言结构中标记的接近性概念也构成了各种语言理论的基础,例如转换生成语法。在图论术语中,聚类系数是连接性的局部性度量,当图包含许多团或近似完全互连的子图时,聚类系数很高。简单的Erd ̋os-Rényi随机图没有高聚类系数[84],但一类随机图,称为小世界图,表现出高聚类系数[94]。Watts和Strogatz [94]介绍的一个特定模型对我们非常相关,因为它在平均最短路径和局部性概念之间实现了良好的平衡。他们的模型的生成过程如下:构造一个正则环形格,每个节点都连接到w个邻居,每侧w/2个。 换句话说,我们从节点上开始使用滑动窗口。然后,将所有连接的随机子集(k%)替换为随机连接。保留其他(100-k%)的本地连接。但是,在现代硬件上删除这些随机边可能效率低下,因此我们保留它,这不会影响其属性。总之,在BIGBIRD中,为了捕捉上下文中的这些局部结构,我们定义了一个滑动窗口注意力,因此在宽度为w的自我关注期间,位置i的查询从i-w/2到i+w/2的键进行关注。在我们的符号表示中,A(i,i-w/2:i+w/2)= 1(见图1b)。作为初始的合理性检查,我们进行了基本实验,以测试这些直觉是否足以获得接近BERT模型的性能,同时保持关注线性化的令牌数量。我们发现,随机块和本地窗口不足以捕捉所有必要的上下文,以与BERT的性能竞争。 BIGBIRD的最后一部分受到我们的理论分析(第3节)的启发,这对于实证表现至关重要。更具体地说,我们的理论利用了“全局标记”的重要性(这些标记关注序列中的所有标记,并且所有标记都关注它们(见图1c)。这些全局标记可以通过两种方式定义。 BIGBIRD-ITC:在Transformer内部构造(ITC)中,我们使一些现有的令牌“全局化”,这些令牌覆盖整个序列。具体而言,我们选择一个索引子集G(其中g:= | G |),使得对于所有i∈G,A(i,:) = 1且A(:,i)= 1。 BIGBIRD-ETC:在Transformer扩展构造(ETC)中,我们包括额外的“全局”令牌,例如CLS。具体而言,我们添加g个全局令牌,这些令牌与所有现有令牌一起参与。在我们的符号表示中,这相当于通过向矩阵A添加g行来创建一个新矩阵B∈[0,1](N + g)×(N + g),使得B(i,:) = 1,并且对于所有i∈{1,2,… g},B(:,i)= 1,并且B(g + i,g + j)= A(i,j)∀i,j∈{1,…,N}。这增加了额外的位置来存储上下文,并且正如我们将在实验中看到的那样,可以提高性能。 BIGBIRD的最终注意机制(图1d)具有这三个属性:查询关注r个随机键,每个查询关注其位置左侧和右侧w/2个令牌,并且它们包含g个全局令牌(全局令牌可以来自现有令牌或额外添加的令牌)。我们在App.D中提供实现细节。 3 Theoretical Results about...

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[精读]CLIP

Learning Transferable Visual Models From Natural Language Supervision https://github.com/OpenAI/CLIP Abstract 最先进的计算机视觉系统被训练来预测一组固定的预定物体类别。这种受限的监督形式限制了它们的普适性和可用性,因为需要额外的标记数据来指定任何其他视觉概念。直接从原始文本中学习有关图像的信息是一种有前途的替代方法,它利用了更广泛的监督来源。我们证明了预测哪个标题与哪个图像相对应的简单预训练任务是一种有效和可扩展的方法,可以从互联网收集的4亿(图像,文本)对数据集上从头开始学习SOTA图像表示。预训练后,自然语言用于引用学习的视觉概念(或描述新的概念),从而实现了模型对下游任务的零样本转移。我们通过对超过30个不同的现有计算机视觉数据集进行基准测试来研究这种方法的性能,涵盖了OCR、视频中的动作识别、地理定位和许多类型的细粒度物体分类等任务。该模型对大多数任务进行了非平凡的转移,并且通常与完全监督的基线竞争,而无需进行任何特定于数据集的训练。例如,我们在ImageNet零样本上匹配了原始ResNet-50的准确性,而无需使用它训练的128万个训练示例中的任何一个。 1 . Introduction and Motivating Work 直接从原始文本中学习的预训练方法,这过去几年中彻底改变了自然语言处理。任务无关的目标,如自回归和掩码语言建模,在计算、模型容量和数据方面已经跨越了许多数量级,不断提高模型能力。将“文本到文本”作为标准化的输入输出接口的开发,使得任务无关的架构可以零zero-shot转移到下游数据集,消除了对专门的输出头或数据集特定定制的需求。现在旗舰系统如GPT-3,几乎不需要特定训练数据的数据集,就能在许多任务上与定制模型竞争。 这些结果表明,现代预训练方法在网络规模的文本集合中可获得的聚合监督超过了高质量众包标记的NLP数据集。然而,在其他领域,如计算机视觉,预训练模型仍然是在众包标记的数据集上进行的标准实践。可扩展的预训练方法是否可以直接从网络文本中学习,从而在计算机视觉方面取得类似的突破?先前的工作是令人鼓舞的。 20多年前,Mori等人(1999)探索了通过训练模型来预测与图像配对的文本中的名词和形容词,以改进基于内容的图像检索。Quattoni等人(2007)证明了通过分类器的权重空间中的流形学习可以学习更有效的数据图像表示,以预测与图像相关的字幕中的单词。Srivastava&Salakhutdinov(2012)通过在低级图像和文本标签特征之上训练多模态深度玻尔兹曼机来探索深度表示学习。Joulin等人(2016)现代化了这一工作线,并证明了在图像标题,描述和hashtag元数据中训练CNN以预测单词可以学习有用的图像表示。他们将YFCC100M数据集(Thomee等人,2016)中的图像的标题,描述和hashtag元数据转换为词袋多标签分类任务,并表明预训练AlexNet(Krizhevsky等人,2012)以预测这些标签学习的表示与基于ImageNet的预训练在转移任务上表现类似。Li et al.(2017)然后将这种方法扩展到预测短语n-gram以及单个单词,并通过基于他们学习的视觉n-gram字典对目标类进行评分并预测得分最高的一个,展示了他们的系统转移到其他图像分类数据集的zero-shot能力。采用更先进的架构和预训练方法,VirTex(Desai&Johnson,2020),ICMLM(Bulent Sariyildiz等,2020)和ConVIRT(Zhang等,2020)最近展示了基于Transformer的语言建模、掩码语言建模和对比目标从文本中学习图像表示的潜力。 尽管自然语言监督图像表示学习的概念很令人兴奋,但这种方法仍然很少见。这可能是因为在常见基准测试中的表现远远低于替代方法。例如,Li等人(2017)在零样本设置下仅达到11.5%的ImageNet准确率。这远低于当前最先进技术(Xie等人,2020)的88.4%准确率。甚至低于经典计算机视觉方法(Deng等人,2012)的50%准确率。相反,更狭窄但针对性更强的弱监督使用已经改善了性能。Mahajan等人(2018)表明,在Instagram图像上预测与ImageNet相关的标签是一种有效的预训练任务。当对ImageNet进行微调时,这些预训练模型的准确率提高了超过5%,并在当时改善了整体最先进技术。Kolesnikov等人(2019)和Dosovitskiy等人(2020)还通过预训练模型来预测嘈杂标记的JFT-300M数据集的类别,在更广泛的转移基准测试中展示了巨大的收益。这一系列工作代表了从有限的“黄金标签”学习和从实际上无限的原始文本学习之间的现实妥协。然而,这并非没有妥协。这两项工作都仔细设计并在过程中限制了它们的监督,分别为1000和18291个类别。自然语言能够通过其普遍性表达更广泛的视觉概念,因此能够进行监督。这两种方法还使用静态softmax分类器进行预测,并缺乏动态输出机制。这严重限制了它们的灵活性并限制了它们的zero-shot能力。 这些弱监督模型与最近从自然语言中直接学习图像表示的探索之间的一个关键区别是规模。Mahajan等人(2018)和Kolesnikov等人(2019)在数百万到数十亿张图像上训练他们的模型,而VirTex、ICMLM和ConVIRT则在一到两十万张图像上进行了加速器训练。在这项工作中,我们弥合了这一差距,并研究了在大规模自然语言监督下训练的图像分类器的行为。借助互联网上大量公开可用的此类数据,我们创建了一个新的数据集,包含4亿个(图像,文本)对,并证明了从头开始训练的ConVIRT的简化版本(我们称之为CLIP,即对比语言-图像预训练)是一种有效的从自然语言监督中学习的方法。我们通过训练一系列涵盖近乎相差2个数量级的八种模型选型来研究CLIP的可扩展性,并观察到迁移性能是平滑可预测的计算函数(Hestness等人,2017;Kaplan等人,2020)。我们发现CLIP,类似于GPT家族,在预训练期间学习执行广泛的任务,包括光学字符识别、地理定位、动作识别和许多其他任务。我们通过在30多个现有数据集上对CLIP的零镜头传输性能进行基准测试来衡量这一点,并发现它可以与先前的特定任务监督模型竞争。我们还通过线性探针表示学习分析确认了这些发现,并展示了CLIP优于最佳公开可用的ImageNet模型,同时也更具计算效率。我们还发现,零样本CLIP模型比等效准确度的监督ImageNet模型更加稳健,这表明对于任务不可知模型的零样本评估更能代表模型的能力。这些结果具有重要的政策和伦理意义,我们在第7部分中进行了考虑。 2. Approach 2.1. Natural Language Supervision 我们方法的核心是从自然语言中获取监督信息来学习感知。正如介绍中所讨论的,这并不是一个新的想法,但是用于描述这个领域的术语是多样的,甚至看起来是矛盾的,而且陈述的动机也是多样的。张等人(2020)、戈麦斯等人(2017)、Joulin等人(2016)和Desai&Johnson(2020)都介绍了从文本和图像配对中学习视觉表示的方法,但是分别将它们的方法描述为无监督、自监督、弱监督和有监督。 我们强调这一系列工作的共同点不是特定方法的任何细节,而是将自然语言视为训练信号的认识。所有这些方法都是从自然语言监督中学习的。尽管早期的工作在使用主题模型和n-gram表示时需要与自然语言的复杂性作斗争,但是深度上下文表示学习的改进表明我们现在有了有效利用这种丰富监督来源的工具(McCann等人,2017)。 从自然语言中学习具有其他训练方法所不具备的几个潜在优势。与标准的众包标注图像分类相比,扩展自然语言监督要容易得多,因为它在经典的“machine learning compatible format”中不需要注释,例如👷的1-of-N多数投票“黄金标签”。相反,适用于自然语言的方法可以从互联网上大量的文本中被动地学习监督信息。从自然语言中学习还具有比大多数无监督或自监督学习方法更重要的优势,因为它不仅“只”学习表示,而且还将该表示与语言连接起来,从而实现灵活的零样本转移。在以下子节中,我们详细介绍了我们采用的具体方法。 2.2. Creating a Sufficiently Large Dataset 现有的工作主要使用了三个数据集,MS-COCO(Lin等人,2014年),Visual Genome(Krishna等人,2017年)和YFCC100M(Thomee等人,2016年)。虽然MS-COCO和Visual Genome是高质量的众包标记数据集,但按现代标准来看,它们的规模很小,每个数据集仅有大约10万张训练照片。相比之下,其他计算机视觉系统的训练数据集可达到35亿张Instagram照片(Mahajan等人,2018年)。 YFCC100M是一个可能的替代方案,但每个图像的元数据都很稀疏且质量不一。许多图像使用自动生成的文件名,例如20160716 113957.JPG作为“标题”,或包含相机曝光设置的“描述”。在过滤掉只保留具有自然语言标题和/或英文描述的图像后,数据集的规模缩小了6倍,仅剩下1500万张照片。这大约与ImageNet的规模相同。 自然语言监督的主要动机是公开互联网上大量此类数据。由于现有数据集不能充分反映这种可能性,仅考虑它们的结果将低估这一研究方向的潜力。为了解决这个问题,我们构建了一个新的数据集,收集了来自互联网上各种公开来源的4亿(图像,文本)对。为了尝试涵盖尽可能广泛的视觉概念集合,我们搜索(图像、文本)对作为构建过程的一部分,其文本有500,000个。我们通过每次查询包含多达20,000个(图像、文本)对来大致对结果进行分类平衡。生成的数据集与用于训练GPT-2的WebText数据集具有相似的总字数。我们将此数据集称为WebImageText的WIT。 2.3. Selecting an Efficient Pre-Training Method 最先进的计算机视觉系统需要大量的计算资源。Mahajan等人(2018)需要19个GPU年来训练他们的ResNeXt101-32x48d,而Xie等人(2020)需要33个TPUv3核心年来训练他们的Noisy Student EfficientNet-L2。考虑到这两个系统仅训练预测1000个ImageNet类别,从自然语言中学习开放式视觉概念的任务似乎令人望而生畏。在我们的努力中,我们发现训练效率是成功扩展自然语言监督的关键,我们基于这个指标选择了我们的最终预训练方法。 图2 CLIP在零样本转移方面比我们的图像注释基线模型要高效得多。尽管基于transformer的语言模型有很强的表达能力,但我们发现它在 zero-shot ImageNet分类方面相对较弱。我们可以看到它的学习速度比预测文本的词袋(BoW)编码的基线慢3倍(Joulin等人,2016)。将预测目标从对文本的对比目标换成CLIP进一步提高了4倍效率。 我们最初的方法类似于VirTex,从头开始联合训练图像CNN和文本变换器以预测图像的标题。然而,我们遇到了有效扩展这种方法的困难。在图2中,我们展示了一个6300万参数的变换器语言模型,它已经使用了两倍于其ResNet-50图像编码器的计算资源,学习识别ImageNet类别的速度比预测相同文本的词袋编码的一个更简单的基线慢三倍。 这两种方法都有一个关键的相似之处。它们尝试预测每个图像附带的文本的确切单词。由于与图像共现的描述、评论和相关文本的广泛多样性,这是一项困难的任务。最近在对比表示学习方面的研究发现,对比目标可以学习比其等效预测目标更好的表示(Tian等人,2019)。其他研究发现,尽管图像的生成模型可以学习高质量的图像表示,但它们需要比具有相同性能的对比模型多一个数量级的计算资源(Chen等人,2020a)。注意到这些发现,我们探索训练一个系统来解决可能更容易的代理任务,即仅预测哪个文本整体与哪个图像配对,而不是该文本的确切单词。从相同的词袋编码基线开始,我们在图2中将预测目标替换为对比目标,并观察到进一步4倍的效率提高,以零-shot转移到ImageNet的速度。 给定一个batch的N个图像文本对,CLIP被训练来预测这个batch中的N×N个可能的图像文本匹配对。为此,CLIP通过联合训练图像编码器和文本编码器来学习多模态嵌入空间,以最大化批次中N个真实对的图像和文本嵌入的余弦相似性,同时最小化N2-N个不正确对的嵌入的余弦相似性。我们通过对这些相似度分数进行对称交叉熵损失的优化来实现CLIP。在图3中,我们包含了CLIP实现的核心伪代码。据我们所知,这种批量构建技术和目标最初是在深度度量学习领域作为多类N对损失Sohn(2016)中的一部分引入的,并在对比表示学习中由Oord等人(2018)提出InfoNCE损失得到普及,并最近被张等人(2020)在医学成像领域中用于对比文本、图像表示学习。 由于我们的预训练数据集非常大,过拟合不是一个主要问题,因此与Zhang等人(2020)的实现相比,训练CLIP的细节得到了简化。我们从头开始训练CLIP,不使用ImageNet权重初始化图像编码器或使用预训练权重初始化文本编码器。我们不使用表示和对比嵌入空间之间的非线性投影,这是由Bachman等人(2019)引入并由Chen等人(2020b)推广的变化。相反,我们仅使用线性投影将每个编码器的表示映射到多模态嵌入空间。我们没有注意到两个版本之间的训练效率差异,并推测非线性投影可能会与当前仅在自监督表示学习方法中的图像细节相互适应。因为CLIP的预训练数据集中的许多(图像,文本)对仅为一个句子,我们还删除了Zhang等人(2020)中的文本转换函数tu,该函数从文本中均匀采样一个句子。我们还简化了图像转换函数tv。在训练期间,仅使用从调整大小的图像中随机裁剪的正方形进行数据增强。最后,控制softmax中logits范围的温度参数τ直接在训练期间进行优化,作为对数参数化的乘法标量,以避免成为超参数。 2.4. Choosing and Scaling a Mode 我们考虑了图像编码器的两种不同架构。首先,我们使用ResNet-50作为图像编码器的基本架构,因为它被广泛采用并经过验证的性能。我们使用He et al.(2019)的ResNet-D改进和Zhang(2019)的抗锯齿rect-2 blur pooling对原始版本进行了七次修改。我们还用注意力池机制替换了全局平均池化层。注意力池被实现为单层transformer的多头QKV注意力加激活层的结构,其中查询以图像的全局平均池表示为条件。对于第二种架构,我们尝试了最近推出的Vision Transformer(ViT)。我们密切关注它们的实现,仅进行了微小修改,在组合patch和位置编码层之前增加了一个归一化层,并使用稍微不同的初始化方案。 文本编码器是一个Transformer(Vaswani等人,2017),其架构修改如由Radford等人(2019)的描述。我们使用一个63M参数的12层8头512宽度的模型作为基础模型。Transformer在文本的小写字节对编码(BPE)表示上运行,其词汇量为49,152(Sennrich等人,2015)。为了提高计算效率,最大序列长度被限制在76。文本序列用[SOS]和[EOS]标记括起来,Transformer的最高层在[EOS]标记处的token被视为文本特征表示,该表示被层归一化然后线性映射到多模态嵌入空间中。在文本编码器中使用了掩码自我注意力,以保留使用预训练语言模型进行初始化或将语言建模作为辅助目标的能力,但对此的探索留待未来工作。 虽然以前的计算机视觉研究通常通过单独增加宽度(Mahajan等人,2018)或深度(He等人,2016a)来扩展模型,但对于ResNet图像编码器,我们采用了Tan&Le(2019)的方法,发现将额外的计算分配到宽度,深度和分辨率的所有维度上优于仅将其分配给模型的一个维度。虽然Tan&Le(2019)为其EfficientNet架构调整了分配给每个维度的计算比率,但我们使用一个简单的基线,将额外的计算平均分配到增加模型的宽度,深度和分辨率上。对于文本编码器,我们仅将模型的宽度对应ResNet的宽度增加量按比例增加,且没有扩展深度,因为我们发现CLIP的性能对文本编码器的容量不太敏感。 2.5. Training 我们训练了一系列5个ResNets和3个Vision Transformers。对于ResNets,我们训练了一个ResNet-50,一个ResNet-101,然后又训练了3个遵循EfficientNet风格模型缩放的模型,它们的计算量分别是ResNet-50的4倍、16倍和64倍。它们分别被标记为RN50x4、RN50x16和RN50x64。对于Vision Transformers,我们训练了一个ViT-B/32,一个ViT-B/16和一个ViT-L/14。我们为所有模型训练了32个epochs。我们使用Adam优化器(Kingma和Ba,2014)和解耦的权重衰减正则化(Loshchilov和Hutter,2017)应用于所有不是增益或偏差的权重,并使用余弦调度(Loshchilov和Hutter,2016)衰减学习率。初始超参数是在基线ResNet-50模型上进行1个epoch的网格搜索、随机搜索和手动调整的组合设置的。由于计算限制,超参数随后启发式地适用于更大的模型。可学习的温度参数τ从(Wu等人,2018)的等效值0.07开始初始化,并进行剪裁,以防止将logits缩放超过100,我们发现这是必要的,以防止训练不稳定。我们使用非常大的minibatch=32768。使用混合精度(Micikevicius等人,2017)加速训练并节省内存。为了节省额外的内存,使用梯度检查点(Griewank和Walther,2000;Chen等人,2016)、半精度Adam统计量(Dhariwal等人,2020)和半精度随机舍入文本编码器权重。嵌入相似性的计算也被分片,各个GPU仅计算其本地嵌入批次所需的子集的成对相似性。最大的ResNet模型RN50x64在592个V100 GPU上训练了18天,而最大的Vision Transformer在256个V100 GPU上训练了12天。对于ViT-L/14,我们还在更高的336像素分辨率下预训练了一个额外的epoch,以提高类似于FixRes(Touvron等人,2019)的性能。我们将此模型标记为ViT-L/14@336px。除非另有说明,本文中报告的所有结果均使用此模型,我们发现它的表现最佳。 3. Experiments 3.1. Zero-Shot Transfer 3.1.1. MOTIVATION 在计算机视觉中,零样本学习通常指的是在图像分类中推广到未见过的物体类别的研究(Lampert等人,2009)。我们则更广泛地使用这个术语,并研究推广到未见过的数据集的泛化能力。我们将其作为执行零数据学习论文(Larochelle等人,2008)中所期望的执行未见任务的代理。虽然无监督学习领域的许多研究都集中在机器学习系统的表示学习能力上,但我们认为研究零样本转移是衡量机器学习系统任务学习能力的一种方式。在这种观点下,数据集评估了机器学习系统在特定分布上执行任务的性能。然而,许多流行的计算机视觉数据集主要是由研究社区创建的,旨在指导通用图像分类方法的发展,而不是衡量特定任务的性能。虽然可以说SVHN数据集衡量了在Google Street View照片分布上的街道编号转录任务,但不清楚CIFAR-10数据集衡量了什么“真正”的任务。然而,CIFAR-10是从TinyImages(Torralba等人,2008)中提取的分布。在这些类型的数据集上,零样本转移更多地是评估CLIP对分布转移和领域泛化的鲁棒性,而不是任务泛化。请参见第3.3节进行分析。 据我们所知,Visual N-Grams(Li等人,2017)首次以上述方式研究了对现有图像分类数据集的零样本转移。这也是我们所知道的唯一一项研究,它使用通用预训练模型研究了对标准图像分类数据集的零样本转移,并作为最佳参考点来解释CLIP。他们的方法学习了142,806个视觉n-gram(跨度为1到5个n-gram)的字典参数,并使用Jelinek-Mercer平滑的差分版本来最大化给定图像的所有文本n-gram的概率。为了执行零样本转移,他们首先将数据集的每个类别名称的文本转换为其n-gram表示,然后根据其模型计算其概率,预测得分最高的那个。...