【AIGC】10、Chinese CLIP | 专为中文图文匹配设计

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论文：Chinese CLIP: Contrastive Vision-Language Pretraining in Chinese

代码：https://github.com/OFA-Sys/Chinese-CLIP

出处：阿里达摩院

时间：2022.11

贡献：

提出了 Chinese CLIP，是经过在大尺度中文图像-文本对儿的两阶段预训练

一、背景

CLIP 的成功极大地促进了对比学习在视觉-语言模型预训练上的研究和应用

不同于传统生成式预训练，CLIP 是一种基于对比学习的模型，在从网络上收集的约 4 亿个 image-text pair 上进行预训练，而且有很好的 zero-shot 迁移能力

由于 CLIP 能够在视觉和文本之间建立联系，所有页改变了多模态表达学习和计算机视觉的相关研究

在 CLIP 之后有很多的工作，如 DALL-E，StyleCLIP，SLIP，CLIP4Clip 等

尽管如此，但在中国还没有一个专为中文多模态学习设计的模型

所以，本文中提出了 Chinese CLIP (CN-CLIP)，模型在大量的中文文本-图像对儿上进行了预训练

数据：

约 2 亿 image-text pairs

模型大小：

建立了 5 个不同大小的模型，从 77M 到 958M 参数量

训练方式：

使用两阶段训练的方式
第一阶段：冻结 image encoder
第二阶段：image encoder 和 text encoder 都参与训练（如图 1）
消融实验证明了两阶段训练的好处

测试数据集：

在 3 个 Chinese cross-modal 检索数据集上进行的测试
包括 MUGE2, Flickr30K-CN, COCO-CN

二、方法

2.1 基础内容

首先介绍一下 CLIP 的训练方法：

CLIP 是由 image encoder 和 text encoder 构成的
image encoder：是 vision backbone，如 ResNet、ViT 等
text encoder：是 transformer model，如 BERT、GPT 等
CLIP 有多种不同大小的模型尺度
vision backbone：5 个不同尺度的 resnet（ResNet-50, ResNet101, RN50x4, RN50x16, RN50x64），3 个饼图的 ViT (ViT-B/32, ViT-B/16, and ViT-L/14）
模型的训练使用的是 large-batch 的对比学习，给定一个 batch 中有 N 个图像，则共有 $\times N$ 个可能的图文对儿，有 N 对儿 positive samples，有 $N^2-N$ 对儿 negative samples。则共有 $N^2$ 个 similarity score，来优化 cross-entropy loss

CLIP 的扩展：

可以迁移到跨模态的检索
image encoder 可以作为 vision backbone 来代替在 ImageNet 上预训练的 ResNet 或 ViT
通过计算给定的 image 和固定形式 Candidate label （如 a photo of [label]）的相似性，也可以进行开集的 zero-shot 分类

2.2 数据集

CLIP 成功的另外一个原因在于预训练使用的超大尺度的训练集

由在 CLIP 上进行的实验可知，通过增大数据量、增长训练周期都可以提供模型在 zero-shot 学习任务上的效果

训练数据集：

从 LAION-5B 中抽取包含 ‘zh’ 的中文数据，共抽取 1.08 亿数据
从 Wukong 中获得 0.72 亿数据
将英文多模态数据翻译为中文的，包括 Visual Genome 和 MSCOCO
最后共得到约 2 亿的训练数据
一般将图像 resize 为 224x224 来使用，在 ViT-L/14 中使用 336x336 大小

2.3 预训练方法

最简单的训练方法是从头开始训练，就是会受到训练数据的数量和质量的限制

为了利用现有的预训练模型优势：

对于 image encoder ，使用了官方 CLIP 开源预训练模型来初始化
对于 text encoder，使用 RoBERTa-wwm-ext 和 RBT3

如何基于开源模型来预训练：

constrastive tuning，对比微调，类似于将 CLIP 迁移到下游任务上去
Locked-image Tuning（LiT），效果更好

Chinese CLIP 如何进行预训练：两阶段预训练方法，如图 1 所示

主要思想是冻结 image encoder（冻结所有的参数）使用 LiT 让 text encoder 能够从 OpenAI 的 CLIP 的基础视觉模型中读出高质量的表示，然后将这些表示迁移到需要的数据域中。
第一阶段：冻结 image encoder 的所有参数，只训练 text encoder，这一动作是基于一个假设：训练好的 vision backbone 已经有很强的能力来抽取视觉特征了。第一阶段的训练直到对下游任务没有明显的提升而结束
第二阶段，让 image encoder 的参数参与训练，这样一来 image encoder 的参数就可以学习从中文网站来的图了
实验结果表明两阶段的预训练能够比直接从训练好的模型来 finetune 效果更好

2.4 模型尺寸

有 5 种不同的模型尺寸，从 77 ~ 958 million 参数量，无特殊说明情况下预训练图像大小为 224x224

ResNet 50 model： $CN-CLIP_{RN50}$
$CN-CLIP_{ViT-B/16}$
$CN-CLIP_{ViT-L/14}$
$CN-CLIP_{ViT-L/14@336px}$
$CN-CLIP_{ViT-H/14}$

三、效果

数据集：

MUGE-Retrieval：image-text 检索数据集
Flickr30K-CN：Flickr30K 数据集且将标签翻译为中文
COCOCN：COCO 数据集且将标签翻译为中文

评价指标：

zero-shot learning：使用 image 和 text 之间的 smilarity score 来衡量，使用 top-k similar candidates
finetuning：使用 Recall@K 来评价，K={1, 5, 10}，也会使用 Mean Recall （MR）来评价，即 Recall@K 的均值