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?
- 视觉语言模型的能力
- 知名VLM模型
- 视觉语言模型的家族分类
- CLIP(对比语言-图像预训练)
- SigLip(暹罗广义语言-图像预训练)
- 训练视觉语言模型(VLMs)
- 理解PaLiGemma
- 常见问题
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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:
- 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的训练阶段
以下是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。