论文题目Learning Transferable Visual Models From Natural Language Supervision

译为 从自然语言监督中学习可转移的视觉模型

【资料图】

CLIP  = Constractive Language Image Pretraining

摘要

最先进的计算机视觉系统被训练来预测一组固定的预定对象类别。这种受限制的监督形式限制了它们的通用性和可用性，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图像是一种很有前途的选择，因为它利用了更广泛的监督来源。

关键点1：怎么理解额外的标记数据导致了受限制的监督形式，从而限制了通用性和可用性？

比如做ImageNet分类，它本身自己就是1000个类，如果你扔进ImageNet训练之后，去做预测，最后固定的全连接softmax分类头只能预测出这个图片是这1000个类的概率，如果你想让他去识别第1001个类，这是做不到的。这就限制了监督训练的通用性和可用性，难道你想要弄一个新的类别，就要重新标注一下，重新去训练一个新的模型吗？

关键点2：怎么理解从原始文本中学习图像就能有更广泛的监督来源？

关键点在于图像文本对，自然世界中有很多文本，这些文本都用来描述一些物体，比如你去旅游发一个朋友圈配图配文，这样子就形成了图像文本对。因此我们去做图像任务的时候，可以利用这个文本去辅助监督，这个文本特征就是监督来源。监督的来源是一段文本，而不是一个标注的label，这样就更加广泛，不仅仅限于1000个类别了。

我们证明了预测哪个文本与哪个图像相匹配的简单pretrain任务是一种有效且可扩展的方法，可以在从互联网收集的4亿对（图像，文本）数据集上从头开始学习SOTA图像表示。在pretrain之后，使用自然语言来参考学习到的视觉概念（或描述新的概念），从而实现模型向下游任务的zero-shot转移。我们通过对30多个不同的现有计算机视觉数据集进行benchmark测试来研究这种方法的性能，这些数据集涵盖了OCR、视频中的动作识别、地理定位和许多类型的细粒度对象分类等任务。

关键点1：爬了一个4亿对的图像文本对去做预训练？

自监督模式的训练，想要取得好效果，必须是大力出奇迹，所以有money is all you need的说法。

关键点2：怎么理解模型向下游任务的zero-shot转移

zero-shot：预训练之后，不做finetune或linear probe，谓之零样本，直接做预测

few-shot：与训练之后，使用少量样本做finetune，一般会冻结backbone（这种叫linear probe），只训练最后的全连接softmax分类头，谓之少样本，最后做预测

所以CLIP在做完使用图像文本对在4亿数据集上的预训练后，可以直接用在下游任务上，不需要做任何使用样本的finetune或者linear probe，就能取得很好的效果，所以说迁移性好。

该模型不平凡地转移到大多数任务，并且通常与完全监督的baseline竞争，而不需要任何数据集特定的训练。例如，我们在ImageNet zero-shot上匹配原始ResNet-50的精度，而不需要使用它所训练的128万个训练样本中的任何一个。

这个结果在当时看来是非常炸裂的。

引言

NLP领域的自监督范式：开山鼻祖BERT，使用掩码训练（完形填空）的方式完成对于backbone的自监督的训练。这种训练方式是文本进，文本出，可以训练出很好的backbone，backbone能够自动帮你抽取文本特征，与下游任务是无关的。所以当时OpenAI自己最牛的模型是GPT3，能帮你做各种任务，比如写邮件、写小说和写新闻等等。

（还有一种是与BERT不同的自回归的训练方式）

这说明：NLP这套框架证实自监督不使用人工标注的数据比使用更好

CV领域：仍然会用ImageNet预训练（监督范式）一下。

在CLIP之前，有三个同一领域的希望使用文本信号去训练视觉模型的工作：

VirTex（自回归预训练）、ICMLM（完形填空）、ConVirt（与CLIP很类似）

但他们的规模、数据集、算力都没有CLIP大，所以还是大力出奇迹

CLIP = 大数据集（4亿）+ 大模型+ 大算力+ 图像文本对的对比学习

图像文本对的工作模型采用的是ConVirt的简化版本，但就是效果好到怀疑人生。

方法

核心：用文本当作训练的信号来训练视觉模型，不需要人工标注（下载图像文本对），简单

单模态：MoCo SimCLR MAE等还是学习视觉特征，没有文本引导，下游任务还是finetune

多模态的对比学习：文本+视觉极具潜力

关键点1：清洗了一个巨大的干净的数据集 WIT（四亿图像文本对）

关键点2：提高训练效率，不能直接做预测（训练一个图像encoder如ResNet，一个文本encoder如Transformer，然后利用图像encoder去预测文本标签），原因是一张图片可以有很多描述。所以去做了一个对比学习的任务，只需要去判断这个图像和文本是不是配对的就行。

模型核心点就是，把文本特征和图像特征的cosine similarity当作是否配对的结果

一些训练细节：

1 数据集太大了，模型太大了，不会overfit，所以压根不做数据增强的tricks

2 用的线性投射层，而不是非线性，懒得用了，效果差不多，但在一般视觉用非线性多且好

3 对比学习的temperature参数，本来是很重要的，但这里直接调成learnable weight被优化了

模型的选择上，文本模型用Transformer，视觉模型可以用ViT或者ResNet，这里节用了很多训练的tricks。

训练上：常规的模型选择和计算量调优，Adam，Batch32768，混精度

“工程细节大于模型创新”

实验

zero-shot的原因：原来的自监督对比学习都是为了去学习一种泛化能力较好的特征，来应用到下游任务去做微调。但下游任务会有很多问题，比如下游任务的数据不好收集或者是特征迁移的问题，所以想要训练一个直接zero-shot的模型，直接用，别做微调了。

推理过程：用prompt engineer，把原来的图片的标签变成一个句子，然后这个句子经过text encoder得到一系列特征（与类别数相同），对应的图片经过image encoder得到一系列特征，最后两个特征进行余弦相似度计算，然后softmax，最高的那个就是最后的结果。

上面的prompt template是a photo of a {}

Prompt engineering：避免歧义和与NLP那边保持一致，避免distribution gap（分布误差）

Prompt ensembling：多用提示的模板prompt template，然后综合一下选最高的

这个就是咒语

结果大部分都好，特别是普通物体数据集

一些难的任务就不太好，需要去做few-shot，因为本身人自己没有专业知识也很难做好

局限

1.     还是没有SOTA（跟领域最好的，包括有监督）

2.     某些数据集不好，有bias

3.     MNIST很差，因为4亿里没有

4.     虽然 CLIP 可以做 zero-shot 的分类任务，但它还是在你给定的这些类别中去做选择

5.     4亿还是太夸张了，自监督和伪标签

6.     调参和tricks还是用了很多

7.     通过自然语言引导图像分类器是一种灵活和通用的接口，但它有自己的局限性。 许多复杂的任务和视觉概念可能很难仅仅通过文本来指导，即使用语言也无法描述。

8.     实验还是在监督的数据集做，对于zero-shot来说还是不好

9.     政治、性别、宗教

10.  当从zero-shot 转换到设置few-shot 时，当one-shot、two-shot、four-shot 时反而不如zero-shot，不提供训练样本时反而比提供少量训练样本时差了，这与人类的表现明显不同，人类的表现显示了从zero-shot 到one-shot 大幅增加。今后需要开展工作，让CLIP 既在zero-shot 表现很好，也能在few-shot 表现很好。

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