VLMs全解析:技术原理、核心模型与应用场景

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通过本文可学习到视觉语言模型(VLMs)的定义与核心能力(跨模态融合、目标检测、图像分割、视觉问答等),了解CLIP、LLaVA、Florence等关键模型的架构与功能,熟悉VLMs按预训练、掩码、生成、对比学习的家族分类及技术特点,掌握VLMs的训练流程(数据收集、预训练、微调等)及对比学习等关键技术。


导语

想象一下,你漫步在艺术画廊中,周围环绕着生动的绘画和雕塑。现在,如果你能向每一件作品提问并得到有意义的答案,会怎样?你可能会问:“你在讲述什么故事?”或者“艺术家为什么选择这种颜色?”这正是视觉语言模型(VLMs)发挥作用的场景。这些模型如同博物馆中的专业导览员,能够解读图像、理解上下文,并通过人类语言传递这些信息。无论是识别照片中的物体、回答关于视觉内容的问题,甚至根据描述生成新图像,VLMs都以曾经难以想象的方式融合了视觉与语言的力量。

在本指南中,我们将探索VLMs的迷人世界,包括它们的工作原理、能力,以及像CLIP、PaLaMa和Florence等突破性模型——这些模型正在改变机器理解和与周围世界交互的方式。

学习目标

  • 理解视觉语言模型(VLMs)的核心概念与能力。
  • 探索VLMs如何融合视觉与语言数据以完成目标检测、图像分割等任务。
  • 学习CLIP、PaLaMa和Florence等关键VLM架构及其应用。
  • 深入了解VLM的不同家族,包括预训练模型、掩码模型和生成模型。
  • 掌握对比学习如何提升VLM性能,以及微调如何提高模型精度。

目录

什么是视觉语言模型?

视觉语言模型(VLMs)是一类人工智能系统,旨在处理视频(或图像)与文本的多模态输入。通过融合这两种模态,VLMs能够完成需要在图像与文本间建立语义映射的任务,例如生成图像描述、基于图像回答问题(或反之)。

VLMs的核心优势在于其能够弥合计算机视觉与自然语言处理(NLP)之间的鸿沟。传统模型通常仅擅长其中一个领域——要么识别图像中的物体,要么理解人类语言。而VLMs专门设计为融合两种模态,通过学习从语言视角解读图像(反之亦然),提供对数据更全面的理解。

什么是视觉语言模型?

VLMs的架构通常涉及学习视觉与文本数据的联合表示,使模型能够执行跨模态任务。这些模型在包含图像与对应文本描述的大规模数据集上进行预训练。训练过程中,VLMs学习图像中物体与描述它们的词语之间的关系,从而支持从图像生成文本或在视觉数据上下文中理解文本提示。

VLMs能处理的关键任务示例包括:

  • 视觉问答(VQA):回答关于图像内容的问题。
  • 图像描述生成:生成描述图像内容的文本。
  • 目标检测与分割:识别并标注图像中的不同物体或区域(通常结合文本上下文)。

视觉语言模型任务

视觉语言模型的能力

视觉语言模型(VLMs)通过融合视觉与文本信息,已发展出处理各类复杂任务的能力。它们利用图像与语言之间的内在关联,在多个领域实现了突破性功能。

视觉+语言融合

VLMs的核心是理解并同时处理视觉与文本数据的能力。通过同步处理这两种数据流,VLMs能够完成图像描述生成、带描述的目标识别,或为视觉信息关联文本上下文等任务。这种跨模态理解使输出更丰富、更连贯,使其在实际应用中具备高度通用性。

目标检测

目标检测是VLMs的一项关键能力。它使模型能够识别并分类图像中的物体,将视觉理解与语言标签关联。通过结合语言理解,VLMs不仅能检测物体,还能理解并描述其上下文。例如,它不仅能识别图像中的“狗”,还能将其与场景中的其他元素关联,使目标检测更动态、更具信息性。

目标检测

图像分割

VLMs通过图像分割增强了传统视觉模型的能力——图像分割基于内容将图像划分为有意义的片段或区域。在VLMs中,这一任务通过文本理解得到增强,即模型能分割特定物体并为每个区域提供上下文描述。这超越了单纯的目标识别,因为模型可以分解并描述图像的细粒度结构。

嵌入表示

VLMs的另一重要机制是嵌入表示,它为视觉与文本数据的交互提供了共享空间。通过关联图像与词语,模型能够执行如“给定文本查询图像”或“给定图像查询文本”的操作。这是因为VLMs能生成高效的图像表示,从而帮助弥合跨模态过程中视觉与语言的鸿沟。

视觉问答(VQA)

在VLMs的各类应用中,视觉问答(VQA)是较复杂的形式之一。其过程为:向VLM提供一张图像及与该图像相关的问题,VLM利用习得的图像解读能力和自然语言处理能力,适当地回答问题。例如,给定一张公园的图像并提问“图片中能看到多少张长椅?”,模型能够解决计数问题并给出答案,这不仅展示了视觉能力,还体现了模型的推理能力。

视觉问答(VQA)

知名VLM模型

多种视觉语言模型(VLMs)已涌现,推动了跨模态学习的边界。每个模型都提供了独特的能力,为更广泛的视觉-语言研究领域做出贡献。以下是一些最具代表性的VLMs:

CLIP(对比语言-图像预训练)

CLIP是VLM领域的先驱模型之一。它利用对比学习方法,通过学习匹配图像与其对应描述,连接视觉与文本数据。模型处理由图像-文本对组成的大规模数据集,并通过优化图像与其文本对应项的相似度(同时区分不匹配的对)进行学习。这种对比方法使CLIP能够处理广泛的任务,包括零样本分类、图像描述生成,甚至无需显式任务特定训练的视觉问答。

CLIP(对比语言-图像预训练)

参考文献:https://arxiv.org/abs/2303.07240

LLaVA(大型语言与视觉助手)

LLaVA是为复杂多模态任务对齐视觉与语言数据而设计的复杂模型。它采用了一种独特的方法,将图像处理与大型语言模型融合,以增强其解读图像相关查询并作出响应的能力。通过利用文本与视觉表示,LLaVA在视觉问答、交互式图像生成及涉及图像的对话任务中表现出色。其与强大语言模型的集成使其能够生成详细描述,并支持实时视觉-语言交互。

LLaVA(大型语言与视觉助手)

参考文献:https://llava-vl.github.io/

LaMDA(对话应用语言模型)

尽管LaMDA主要以语言模型被讨论,它也可用于视觉-语言任务。LaMDA对对话系统非常友好,当与视觉模型结合时,它能够执行视觉问答、图像控制的对话及其他多模态任务。LaMDA的改进之处在于其倾向于提供类人且上下文相关的回答,这将有益于任何需要讨论视觉数据的应用,例如自动图像或视频分析的虚拟助手。

LaMDA(对话应用语言模型)

参考文献:https://arxiv.org/abs/2201.08239

Florence

Florence是另一款强大的VLM,它融合视觉与语言数据以执行广泛的跨模态任务。其特别以处理大规模数据集时的效率与可扩展性著称。模型设计针对快速训练与部署进行了优化,使其在图像识别、目标检测和多模态理解中表现优异。Florence能够整合海量视觉与文本数据,这使其在图像检索、描述生成和基于图像的问答等任务中具备通用性。

Florence

参考文献:http://arxiv.org/abs/2111.11432

视觉语言模型的家族分类

视觉语言模型(VLMs)根据处理多模态数据的方式被分为多个家族,包括预训练模型、掩码模型、生成模型和对比学习模型。每个家族采用不同技术对齐视觉与语言模态,适用于不同任务。

视觉语言模型的家族分类

预训练模型家族

预训练模型基于大规模图像-语言对数据集构建。这些模型在通用任务上训练,允许在无需每次使用大规模数据集的情况下针对特定应用进行微调。

预训练模型家族

工作原理

预训练模型家族使用包含图像与文本的大规模数据集。模型训练目标是识别图像并将其与文本标签或描述匹配。经过广泛的预训练后,模型可针对图像描述生成或视觉问答等特定任务进行微调。预训练模型的有效性源于其初始在丰富数据上的训练,随后在较小的特定领域数据上的微调。这种方法已在各类任务中显著提升了性能。

掩码模型家族

掩码模型使用掩码技术训练VLMs。这些模型随机掩盖输入图像或文本的部分内容,并要求模型预测被掩盖的内容,从而迫使模型学习更深的上下文关系。

掩码模型家族

工作原理(图像掩码)

掩码图像模型通过掩盖输入图像的随机区域进行操作。模型随后被要求预测缺失的像素。这种方法迫使VLM关注周围视觉上下文以重建图像,从而使模型对局部与全局视觉特征有更强的理解。图像掩码帮助模型建立对图像中空间关系的鲁棒理解,这种改进的理解提升了目标检测与分割等任务的性能。

工作原理(文本掩码)

在掩码语言建模中,输入文本的部分内容被隐藏。模型被要求预测缺失的标记,这促使VLM理解复杂的语言结构与关系。掩码文本模型对掌握细微的语言特征至关重要,它们提升了图像描述生成与视觉问答等任务的性能——这些任务需要同时理解视觉与文本数据。

生成模型家族

生成模型处理新数据的生成,包括从图像生成文本或从文本生成图像。这些模型特别应用于文本到图像和图像到文本的生成任务,涉及从输入模态合成新输出。

生成模型家族

文本到图像生成

在文本到图像生成中,模型的输入是文本,输出是生成的图像。这一任务高度依赖对词语的语义编码与图像特征的理解。模型分析文本的语义含义,生成与输入描述对应的高保真图像。

图像到文本生成

在图像到文本生成中,模型以图像为输入,生成文本输出(如描述)。首先,模型分析图像的视觉内容;其次,识别物体、场景与动作;最后,将这些元素转化为文本。这些生成模型可用于自动描述生成、场景描述和从视频场景创建故事。

对比学习

对比模型(包括CLIP)通过训练匹配与不匹配的图像-文本对来识别自身。这迫使模型将图像映射到其描述,同时排除错误映射,从而实现视觉与语言的良好对应。

对比学习

工作原理?

对比学习将图像及其正确描述映射到同一视觉-语言语义空间中,同时增大视觉-语言语义不匹配样本之间的差异。这一过程帮助模型理解图像及其关联文本,适用于图像检索、零样本分类和视觉问答等跨模态任务。

CLIP(对比语言-图像预训练)

CLIP(Contrastive Language-Image Pretraining,对比语言-图像预训练)是OpenAI开发的模型,是视觉语言模型(VLM)领域的领先模型之一。CLIP处理图像与文本作为输入,在图像-文本数据集上训练,利用对比学习匹配图像与其文本描述,同时区分不相关的图像-文本对。

CLIP的工作原理

CLIP采用双编码器架构:一个用于图像,另一个用于文本。核心思想是将图像及其对应文本描述嵌入到同一高维向量空间中,使模型能够比较和区分不同的图像-文本对。

CLIP:视觉语言模型

CLIP运行的关键步骤

  • 图像编码:与CLIP模型类似,该模型使用名为ViT的视觉变换器对图像进行编码。
  • 文本编码:同时,模型通过基于变换器的文本编码器对对应文本进行编码。
  • 对比学习:随后比较编码后的图像与文本的相似度以输出结果。对于属于同一类别的图像-描述对,最大化其相似度;对于非同一类别的对,最小化其相似度。
  • 跨模态对齐:这种权衡产生了在视觉-语言匹配任务(如零样本学习、图像检索甚至逆图像合成)中表现卓越的模型。

CLIP的应用

  • 图像检索:给定描述,CLIP可找到匹配的图像。
  • 零样本分类:CLIP无需特定类别的额外训练数据即可对图像分类。
  • 视觉问答:CLIP能理解关于视觉内容的问题并提供答案。

代码示例:使用CLIP的图像到文本任务

以下是使用CLIP执行图像到文本任务的代码片段示例。该示例展示了CLIP如何编码图像与一组文本描述,并计算每个文本与图像匹配的概率。

import torch
import clip
from PIL import Image

# 检查是否有GPU可用,否则使用CPU
device = "cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu"

# 加载预训练的CLIP模型和预处理函数
model, preprocess = clip.load("ViT-B/32", device=device)

# 加载并预处理图像
image = preprocess(Image.open("CLIP.png")).unsqueeze(0).to(device)

# 定义要与图像比较的文本描述集合
text = clip.tokenize(["a diagram", "a dog", "a cat"]).to(device)

# 执行推理以编码图像和文本
with torch.no_grad():
    image_features = model.encode_image(image)
    text_features = model.encode_text(text)

    # 计算图像与文本特征的相似度
    logits_per_image, logits_per_text = model(image, text)

    # 应用softmax获取每个标签与图像匹配的概率
    probs = logits_per_image.softmax(dim=-1).cpu().numpy()

# 输出概率
print("Label probabilities:", probs)

SigLip(暹罗广义语言-图像预训练)

SigLip(Siamese Generalized Language Image Pretraining,暹罗广义语言-图像预训练)是谷歌开发的先进模型,基于CLIP等模型的能力构建。SigLip通过改进的架构与预训练技术,利用对比学习的优势增强图像分类任务,旨在提升零样本图像分类的效率与准确性。

SigLip的工作原理

SigLip采用暹罗网络架构,包含两个共享权重的并行网络,用于区分相似与不相似的图像-文本对。这种架构使SigLip能够高效学习图像与文本的高质量表示。模型在多样化的图像-文本描述数据集上预训练,使其能够很好地泛化到各种未见过的任务。

SigLip(暹罗广义语言-图像预训练)

SigLip运行的关键步骤

  • 暹罗网络:模型使用两个相同的神经网络分别处理图像与文本输入,但共享参数。这种设置允许对图像与文本表示进行有效比较与对齐。
  • 对比学习:与CLIP类似,SigLip使用对比学习最大化匹配图像-文本对的相似度,并最小化不匹配对的相似度。
  • 多样化数据预训练:SigLip在大规模多样化数据集上预训练,增强其在零样本场景(即无需额外微调即可测试任务)中的表现。

SigLip的应用

  • 零样本图像分类:SigLip通过广泛的预训练,擅长将图像分类到其未显式训练过的类别中。
  • 视觉搜索与检索:可用于基于文本查询检索图像,或基于描述性文本对图像分类。
  • 基于内容的图像标签:SigLip可自动为图像生成描述性标签,适用于内容管理与组织。

代码示例:使用SigLip的零样本图像分类

以下是演示如何使用SigLip进行零样本图像分类的代码片段示例。该示例展示了如何使用transformers库将图像分类到候选标签中。

from transformers import pipeline
from PIL import Image
import requests

# 加载预训练的SigLip模型
image_classifier = pipeline(task="zero-shot-image-classification", model="google/siglip-base-patch16-224")

# 从URL加载图像
url = 'http://images.cocodataset.org/val2017/000000039769.jpg'
image = Image.open(requests.get(url, stream=True).raw)

# 定义用于分类的候选标签
candidate_labels = ["2 cats", "a plane", "a remote"]

# 执行零样本图像分类
outputs = image_classifier(image, candidate_labels=candidate_labels)

# 格式化并打印结果
formatted_outputs = [{"score": round(output["score"], 4), "label": output["label"]} for output in outputs]
print(formatted_outputs)

参考文献:https://arxiv.org/abs/2303.15343

训练视觉语言模型(VLMs)

训练视觉语言模型(VLMs)涉及以下几个关键阶段:

训练视觉语言模型(VLMs)

  • 数据收集:收集大规模图像-文本对数据集,确保多样性与质量,以有效训练模型。
  • 预训练:使用变换器架构,VLMs在海量图像-文本数据上进行预训练。模型通过自监督学习任务(如预测图像或文本的掩码部分)学习编码视觉与文本信息。
  • 微调:预训练模型在较小的任务特定数据集上进行微调,帮助模型适应图像分类或文本生成等特定应用。
  • 生成训练:对于生成式VLMs,训练涉及学习生成新样本(如从图像生成文本或从文本生成图像),基于习得的表示。
  • 对比学习:该技术通过最大化正样本对的相似度、最小化负样本对的相似度,提升模型区分相似与不相似数据的能力。

理解PaLiGemma

PaLiGemma是一款视觉语言模型(VLM),旨在通过结构化的多阶段训练方法增强图像与文本理解能力。它集成了SigLIP与Gemma的组件,以实现先进的多模态能力。以下是基于演讲记录与提供数据的详细概述:

工作原理

  • 输入:模型接受文本与图像输入。文本输入通过线性投影与标记拼接处理,而图像由模型的视觉组件编码。
  • SigLIP:该组件使用视觉变换器(ViT-SQ400m)架构处理图像,将视觉数据映射到与文本数据共享的特征空间。
  • Gemma解码器:Gemma解码器融合文本与图像特征以生成输出,对多模态数据集成与生成有意义结果至关重要。

PaLiGemma:工作原理

PaLiGemma的训练阶段

以下是PaLiGemma的训练阶段:

PaLiGemma的训练阶段

  • 单模态训练
    • SigLIP(ViT-SQ400m):仅在图像上训练,构建强大的视觉表示。
    • Gemma-2B:仅在文本上训练,专注于生成鲁棒的文本嵌入。
  • 多模态训练
    • 224px,IB示例:此阶段模型学习处理224px分辨率的图像-文本对,使用输入示例(IB)细化多模态理解。
  • 分辨率提升
    • 4480x与896px:增加图像与文本数据的分辨率,提升模型处理高细节与更复杂多模态任务的能力。
  • 迁移
    • 分辨率、轮次、学习率:调整分辨率、训练轮次与学习率等关键参数,优化性能并将习得特征迁移到新任务。

参考文献:https://arxiv.org/abs/2407.07726

结论

本视觉语言模型(VLMs)指南强调了其在融合视觉与语言技术中的革命性影响。我们探索了目标检测与图像分割等核心能力、CLIP等知名模型,以及各类训练方法。VLMs通过无缝集成视觉与文本数据推动AI发展,为未来更直观、更先进的应用奠定了基础。

常见问题

Q1. 什么是视觉语言模型(VLM)?

A. 视觉语言模型(VLM)融合视觉与文本数据,以理解并生成图像与文本信息,支持图像描述生成与视觉问答等任务。

Q2. CLIP如何工作?

A. CLIP使用对比学习方法对齐图像与文本表示,有效匹配图像与文本描述。

Q3. VLMs的主要能力有哪些?

A. VLMs在目标检测、图像分割、嵌入表示与视觉问答中表现优异,通过融合视觉与语言处理执行复杂任务。

Q4. VLMs中微调的目的是什么?

A. 微调将预训练的VLM适配到特定任务或数据集,提升其在特定应用中的性能与准确性。

### 视觉语言模型的基本概念 视觉语言模型(Vision-Language Models, VLMs)是一种跨模态的人工智能技术,旨在连接视觉数据(如图像、视频)自然语言之间的关系。这些模型可以理解并生成关于视觉内容的语言描述,或者反过来根据语言指令分析和解释视觉信息[^1]。 具体来说,在图像描述任务中,VLM 需要识别图像中的对象、场景及其相互作用,并将其转化为连贯的自然语言叙述;而在图像问答任务中,则需结合输入的文字问题解析图像内容,提供精确的回答。这表明 VLM 不仅具备强大的感知能力,还拥有一定的推理能力和表达能力。 ### 工作原理 视觉语言模型核心工作流程通常涉及以下几个方面: #### 跨模态特征提取 为了实现对多种类型的数据的理解,VLM 使用预训练方法来获取高质量的跨模态表示向量。例如,基于 Transformer 的架构被广泛应用于这一过程,因为它能有效捕捉序列间的依赖关系,无论是来自文本还是像素级的空间分布信息[^2]。 ```python import torch from transformers import CLIPProcessor, CLIPModel model = CLIPModel.from_pretrained("openai/clip-vit-base-patch32") processor = CLIPProcessor.from_pretrained("openai/clip-vit-base-patch32") image = ... # PIL image object text = ["a photo of a cat", "a photo of a dog"] inputs = processor(text=text, images=image, return_tensors="pt", padding=True) outputs = model(**inputs) logits_per_image = outputs.logits_per_image # this is the image-text similarity score probs = logits_per_image.softmax(dim=1) # we can take the softmax to get probability distribution print(probs) ``` 此代码片段展示了如何利用 Hugging Face 提供的 `CLIP` 模型计算图片若干候选词句之间的相似度得分,进而推断最匹配的结果。 #### 对齐机制 另一个关键技术是对齐机制的设计——即怎样让两个异质空间内的元素建立起映射关联。一些先进方案采用对比学习框架构建损失函数,促使正样本对拉近彼此距离的同时推开负样例组。 ### 应用领域 由于其卓越性能表现,VLM 正迅速渗透到多个实际应用场景之中: - **电子商务**: 自动生成商品详情页文案; - **社交媒体平台**: 辅助审核违规内容或增强用户体验交互界面设计; - **医疗健康行业**: 协助医生诊断疾病影像资料同时记录诊疗意见等复杂操作步骤说明文档撰写服务等等[^3]。
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