文本-图像全局对比对齐与 Token-Patch 级别的局部对齐

最近,我们团队的一位工程师在研究类 ColPali 模型时,受到启发,用新近发布的 jina-clip-v2 模型做了个颇具洞察力的可视化实验。

实验的核心思路是,对给定的图像-文本对,计算文本里每个词的向量(token embeddings)和图像里每个图像块的向量(patch embeddings),计算它们之间的相似度。然后,把这些相似度数值映射为热力图,叠加在图像之上,就能直观地看到文本 token 和图像 patch 之间的关联模式。

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注意:这种可视化方法只是我们一种启发式的尝试,并非模型内部的固有机制。像 CLIP 这样的模型,用全局对比方法来训练,确实有可能(而且经常)在图像块和文本词元之间产生一些局部的对应关系,但你要知道,这只是全局对比训练过程中的一个“副产品”,不是它直接想要达到的目标。

接下来,我将详细解释其中的缘由。

代码解析

我们已经看到了直观的对比可视化效果,但 jina-clip-v2 模型本身并不直接提供文本 Token 或图像 Patch 级别的向量表示。那么,为了实现这种效果,背后的代码是如何运作的呢?

接下来,我们将深入代码,从宏观层面了解其功能。

Google Colab: https://colab.research.google.com/drive/1SwfjZncXfcHphtFj_lF75rVZc_g9-GFD

计算词级别向量表示

通过设置 model.text_model.output_tokens = True,调用 text_model(x=...,)[1] 将会返回一个形状为 (batch_size, seq_len, embed_d

<think>我们正在讨论基于Transformer架构的文本图像跨模态检索技术。根据用户需求,我将从定义、原理和应用三个方面展开。定义:文本图像跨模态检索是指根据文本查询检索相关图像,或根据图像查询检索相关文本。基于Transformer的模型通过统一架构处理不同模态数据。原理部分:1.编码器:文本图像分别通过Transformer编码器(如BERT和ViT)转换为特征向量。2.特征融合:通过跨模态注意力机制实现特征交互。3.相似度计算:使用余弦相似度等度量方法计算特征向量间的相似度。应用场景包括:-搜索引擎:实现图文互搜-电子商务:商品图片描述匹配-社交媒体:内容推荐接下来是具体的技术细节和示例。</think>### 基于Transformer架构的文本图像跨模态检索技术原理应用 #### **一、技术定义** 文本图像跨模态检索指在**统一语义空间**中建立文本图像的关联关系,实现: 1. **文本图像检索**:输入文本描述,返回相关图像 2. **图像文本检索**:输入图像,返回相关文本描述 基于Transformer的模型通过**共享编码架构**实现跨模态语义对齐[^1]。 #### **二、核心原理** ##### 1. **双流编码架构** ```mermaid graph LR A[文本输入] --> B(Transformer文本编码器) C[图像输入] --> D(Vision Transformer图像编码器) B --> E[文本特征向量] D --> F[图像特征向量] E --> G{跨模态对齐模块} F --> G G --> H[联合语义空间] ``` - **文本编码器**:采用BERT等模型,输出文本特征向量 $T \in \mathbb{R}^{d}$ - **图像编码器**:使用ViT(Vision Transformer),将图像分块为序列 $X = \{x_1,...,x_n\}$,通过自注意力生成图像特征 $I \in \mathbb{R}^{d}$[^3] ##### 2. **跨模态对齐机制** - **注意力融合层**:计算跨模态注意力权重 $$\alpha_{ij} = \frac{\exp(T_i^T I_j)}{\sum_k \exp(T_i^T I_k)}$$ - **特征投影**:通过共享矩阵将双模态特征映射到统一空间 $$S(T,I) = \cos(W_t T, W_i I)$$ 其中 $W_t, W_i \in \mathbb{R}^{d \times d}$ 为可学习投影矩阵[^1] ##### 3. **损失函数设计** - **三元组损失**:拉近正样本对距离,推远负样本对 $$\mathcal{L} = \max(0, \Delta + S(T,I^-) - S(T,I^+))$$ - **跨模态对比损失**:通过InfoNCE损失实现模态间对齐 $$\mathcal{L}_{\text{cont}} = -\log \frac{\exp(S(T,I^+)/\tau)}{\sum_{k=1}^K \exp(S(T,I_k)/\tau)}$$ #### **三、关键技术优势** 1. **全局建模能力**:Transformer的自注意力机制捕获长距离依赖关系 2. **端到端训练**:统一架构实现端到端优化 3. **细粒度对齐**:通过patch-level注意力实现图文局部语义匹配 4. **零样本迁移**:预训练模型支持未见类别的检索任务 #### **四、典型应用场景** 1. **电商搜索** - 用户输入"白色蕾丝连衣裙",返回匹配商品图 - 技术实现:CLIP模型零样本检索 2. **医学影像分析** - 输入CT图像,返回诊断报告文本片段 - 应用案例:CheXbert系统(结合ViT+BERT) 3. **社交媒体推荐** - 根据用户发布的旅行照片,推荐相关游记文本 - 技术方案:跨模态注意力匹配[^2] 4. **自动驾驶** - 摄像头捕捉路标图像,检索对应交通规则文本 - 系统要求:实时检索延迟 < 100ms #### **五、实现示例(PyTorch伪代码)** ```python import torch from transformers import BertModel, ViTModel class CrossModalRetrieval(torch.nn.Module): def __init__(self): super().__init__() self.text_encoder = BertModel.from_pretrained('bert-base-uncased') self.image_encoder = ViTModel.from_pretrained('google/vit-base-patch16-224') self.projection = torch.nn.Linear(768, 256) # 统一到256维空间 def forward(self, text, image): text_feat = self.text_encoder(**text).last_hidden_state[:,0] # [CLS] token image_feat = self.image_encoder(pixel_values=image).last_hidden_state[:,0] # 投影到共享空间 text_emb = self.projection(text_feat) image_emb = self.projection(image_feat) # 计算相似度 return torch.matmul(text_emb, image_emb.t()) * torch.exp(torch.tensor(0.07)) ``` #### **六、性能优化方向** 1. **高效注意力**:采用Linformer或Performer降低计算复杂度 $O(n^2)\rightarrow O(n)$ 2. **知识蒸馏**:用大型教师模型指导轻量级学生模型 3. **数据增强**:跨模态对抗生成增强样本 4. **多级对齐**:结合全局特征局部区域特征(如OSCAR模型) ---
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