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最近ChatGPT風頭正勁，但只能理解文字或多或少限制其才華的發揮。得益于Transformer在NLP和CV領域的大放異彩，多模態近幾年取得了非常大的進步。但之前的工作大多數局限在幾個特定的，比如VQA，ITR，VG等任務上，限制了其應用。最近，Junnan Li大佬掛出了他最新的杰作BLIP2。讓我對多模態模型有了一些新的認識，希望通過本文分享一下我的想法。由于本身水平有限，加上很長時間沒有survey過相關領域的論文了，里面大部分的思考可能都是閉門造車，所以不可避免有很多錯誤，歡迎大家指正討論。
ALBEF，BLIP，BLIP2 都是 Junnan Li 大佬的杰作，給了我很大的啟發。ALBEF去掉了笨重的Detector，BLIP統一了理解與生成，BLIP2再次刷新了我的認知，感謝大佬！
BLIP-2: Bootstrapping Language-Image Pre-training with Frozen Image Encoders and Large Language Models
論文連接：https://arxiv.org/abs/2301.12597
代碼倉庫：https://github.com/salesforce/LAVIS/tree/main/projects/blip2
HF上的Demo：
https://huggingface.co/spaces/Salesforce/BLIP2
TL,DR
實現了開放性的多模態內容理解與生成，讓我們有了更多的想象空間；
從新的視角去看待圖文模態，引入了LLM模型。CV模型是傳感器，負責感知，LLM模型是處理器，負責處理；
相對友好的計算資源，比起動輒幾百張卡的大模型，BLIP 2 最大的模型也不過16張A100 40G；
傳統圖文任務上性能爆表；
從泰坦尼克號說起
BLIP2模型的多模態問答
開始前介紹論文前我們先來討論下，實現圖片中的問答，需要什么能力呢？
圖片里發生了什么：一位男士在船頭摟著一位女士。（感知-CV模型的能力）
問題問的什么：電影的結尾是什么？（感知-NLP模型的能力）
圖片和電影有什么關系：這是泰坦尼克號里的經典鏡頭。（對齊融合-多模態模型的能力）
電影的結尾是什么：泰坦尼克號沉沒了。（推理-LLM模型的能力）
對不同模型扮演角色的理解
從上面的問題可以看出，為了解決這個問題，需要幾個模型配合一下。其實自從多模態模型（特別是圖文多模態模型）出現，模態之間怎么配合就是個問題。
ViLBERT
19年20年的時候，ViLBERT和Uniter采用了Object-Text對來提升模型對圖片的理解能力。Object的引入，不可避免的需要一個笨重的檢測器，去檢測各種框，使得圖像模態顯得比較笨重。而且檢測器模型不可避免的會存在漏檢的問題，可以參考后來Open-Vocabulary一些工作，比如ViLD。這一階段，顯然對圖像的理解是多模態的重頭戲，文本更多是輔助圖像任務的理解。
ViLT
到了21年22年，去掉檢測器成了主流，ViLT，ALBEF，VLMo，BLIP 等等都拋棄了檢測器，徹底擺脫了CNN網絡的舒服，全面擁抱Transformer，當然這也得益于本身ViT模型在CV領域的大放光彩，讓兩個模態的有機融合成為了可能。在這一階段，文本模態感覺已經可以和圖像模態平起平坐了。從在各項具體下游任務（VQA、VG、ITR）的實際表現上來說，已經比較令人滿意了。但總感覺差點味道，就是復雜推理。比如VQA上的問題，大多數是簡單的邏輯計算或識別，感覺還不夠智能。
那么如何實現更加復雜的推理呢？眾所周知，NLP領域一直領先于CV領域的發展。得益于更豐富的語料庫，NLP領域的已經擁有了一些具有初步推理能力模型的研究，特別是LLM大模型的出現。（今天谷歌剛剛發布了22B的ViT，而在NLP領域這個規模的模型應該已經不算新聞了。）我對于LLM能力有多強的理解，其實也是ChatGPT之后才有明確的感知。
BLIP2
23年1月，BLIP2出來了，引入了LLM。從圖像上看，BLIP2大概由這么幾個部分組成，圖像（Image）輸入了圖像編碼器（Image Encoder），得到的結果與文本（Text）在Q-Former（BERT初始化）里進行融合，最后送入LLM模型。我是學自動化出身的，從自動化的角度看看BLIP2。
圖像和文本：自然信號；
圖像編碼器（Image Encoder）：傳感器（圖像）；
Q-Former：傳感器（文本）+ 融合算法（Query）；
LLM：處理器。
之前的模型大多都關注在了傳感器和融合算法的設計上，但忽略了處理器的重要作用。BERT模型雖然能理解文本，但卻沒有世界觀的概念，沒有龐大的背景知識庫，只能作一個傳感器。只有LLM模型，才能實現這一角色，統一起各個模態的信號，從一個宏觀的角度去看待這個問題。這里引用一段原文中的話。
Powered by LLMs (e.g. OPT (Zhang et al., 2022), FlanT5 (Chung et al., 2022)), BLIP-2 can be prompted to perform zero-shot image-to-text generation that follows natural language instructions, which enables emerging capabilities such as visual knowledge reasoning, visual conversation, etc.
目前看，或許LLM就是下一代多模態模型的關鍵一環。
言歸正傳，我們開始介紹論文。
如何統一多模態的表征
LLM本質上是個語言模型，自然無法直接接受其他模態的信息。所以如何把各個模態的信息，統一到LLM能理解的特征空間，就是第一步要解決的問題。為此，作者提出了Q-Former。
Q-Former的設計
為了融合特征，那Transformer架構是最合適不過的了。熟悉ALBEF或者BLIP的同學或許發現，Q-Former的結構和ALBEF其實很像，如果看代碼的話，可以發現就是在ALBEF基礎上改的。
相較于ALBEF，最大的不同，就是Learned Query的引入。可以看到這些Query通過Cross-Attention與圖像的特征交互，通過Self-Attention與文本的特征交互。這樣做的好處有兩個：（1）這些Query是基于兩種模態信息得到的；（2）無論多大的視覺Backbone，最后都是Query長度的特征輸出，大大降低了計算量。比如在實際實驗中，ViT-L/14的模型的輸出的特征是257x1024的大小，最后也是32x768的Query特征。
這里其實有點疑問，也歡迎大家討論。論文里是這樣講的：
This bottleneck architecture works together with our pre-training objectives into forcing the queries to extract visual information that is most relevant to the text.
作者通過Q-Former強制讓Query提取文本相關的特征，但如果在推理時沒有文本先驗，那什么樣的特征算是相關的呢？
針對Q-Former的三個訓練任務分別是 Image-Text Contrastive Learning (ITC)，Image-grounded Text Generation (ITG)，Image-Text Matching (ITM)。其中 ITC 和 ITM 任務，與ALBEF中的實現類似，只不過圖像特征改為了Query的特征，具體可以參考代碼實現（ITC和ITM）。這里比較特別的是ITG任務，與ALBEF中的MLM不同，這里改成了生成整句Text的任務，類似Captioning，具體代碼實現ITG。實際上，這幾個任務都是以Query特征和文本特征作為輸入得到的，只不過有不同的Mask組合，具體可以參考上圖中的右圖。
第一階段，對于模型的訓練，就是由以上三個任務組成，通過這幾個任務，實現了對于特征的提取與融合。但現在模型還沒見過LLM。我們現在用傳感器完成了數據的提取與融合，下一步，我們得把數據轉換成處理器能識別的格式。
變成LLM認識的樣子
第二階段的訓練架構
通過第一階段的訓練，Query已經濃縮了圖片的精華，現在要做的，就是把Query變成LLM認識的樣子。
為什么不讓LLM認識Query，而讓Query變成LLM認識呢？這里的原因有兩：（1）LLM模型的訓練代價有點大；（2）從 Prompt Learning 的觀點來看，目前多模態的數據量不足以保證LLM訓練的更好，反而可能會讓其喪失泛化性。如果不能讓模型適應任務，那就讓任務來適應模型。
這里作者針對兩類不同LLM設計了不同的任務：
Decoder類型的LLM（如OPT）：以Query做輸入，文本做目標；
Encoder-Decoder類型的LLM（如FlanT5）：以Query和一句話的前半段做輸入，以后半段做目標；
為了適合各模型不同的Embedding維度，作者引入了一個FC層做維度變換。
至此，模型兩階段的訓練方法就介紹完了。
訓練細節
作為圖文預訓練的工作，工程問題往往是關鍵。BLIP2的訓練過程主要由以下幾個值得關注的點：
訓練數據方面：包含常見的 COCO，VG，SBU，CC3M，CC12M 以及 115M的LAION400M中的圖片。采用了BLIP中的CapFilt方法來Bootstrapping訓練數據。
CV模型：選擇了CLIP的ViT-L/14和ViT-G/14，特別的是，作者采用倒數第二層的特征作為輸出。
LLM模型：選擇了OPT和FlanT5的一些不同規模的模型。
訓練時，CV模型和LLM都是凍結的狀態，并且參數都轉為了FP16。這使得模型的計算量大幅度降低。主要訓練的基于BERT-base初始化的Q-Former只有188M的參數量。
最大的模型，ViT-G/14和FlanT5-XXL，只需要16卡A100 40G，訓練6+3天就可以完成。
所有的圖片都被縮放到224x224的大小。
實驗部分
作者首先用了整整一頁的篇幅，為我們展示了BLIP2的 instructed zero-shot image-to-text generation 能力。這里暫且按下不表，到后面一起討論。我們先看看BLIP2在傳統的一些圖文任務上的效果。
Image Captioning
Captioning 實驗結果
作者用圖片配合文字 prompt “a photo of”作為模型的輸入。訓練過程中凍結LLM，訓練Q-Former和CV模型。可以看到，在域內數據集（COCO）上，其表現并沒有非常亮眼，但在域外數據集NoCaps上，BLIP2顯示出了強大的泛化能力，相交之前的模型有明顯的提升。
Visual Question Answering
VQA 實驗結果
VQA 任務 Pipeline
訓練的參數和IC任務一致，主要是Q-Former和ViT。不同的是，Q-Former和LLM都有Question作為文本輸入。Q-Former的文本輸入，保證了Query提取到的特征更加的精煉。
Image-Text Retrieval
Image-Text Retrieval 實驗結果
ITR任務，作者只采用了第一階段的Q-Former和ViT來做，沒有引入LLM。具體的做法與ALBEF類似，先通過ITC任務算出點積相似度，再取Topk的匹配對，作ITM任務，得到最后的Matching Score。Flickr30K上再次刷新了SOTA，特別是I2T，基本飽和了。
Instructed Zero-shot Image-to-Text Generation
我覺得這個能力才是BLIP2最亮眼的地方。文章中是這樣說的：
Selected examples of instructed zero-shot image-to-text generation using a BLIP-2 model w/ ViT-G and FlanT5XXL, where it shows?a wide range of capabilities including visual conversation, visual knowledge reasoning, visual commensense reasoning, storytelling, personalized image-to-text generation, etc.
首先我們來看看BLIP2對信息的檢索能力，下面幾個例子都是對圖片中物體的背景知識提問，可以看到，模型都給出了相應的答案。這里體現的實際上是LLM強大的背景知識庫。圖中有什么（ViT）+ 問的是什么（Q-Former，LLM）+ 找答案 （LLM）。
信息檢索能力
下面的幾個問題，都是要求模型對圖片的內容進行進一步的推理。比如圖二，需要建立對男人驚訝和雞之間的因果聯系。
事實推理能力
最后的幾個問題是開放性的生成問題。需要模型有一定的長文本生成能力。
開放生成問題
為了進一步探索BLIP2模型的效果，我也自己測試了一些Demo，這里采用的是ViT-G和FlanT5的模型組合，Hugging Face 上提供的CKPT加起來有50G左右了，作為一個平時接觸CV多一點的人來看，是想當炸裂的，一般我模型的CKPT和最后那個零頭差不多。
模型參數文件
先介紹一下測試的輸入格式，這里主要參考：
GitHub - NielsRogge/Transformers-Tutorials: This repository contains demos I made with the Transformers library by HuggingFace.
我測試了如下形式的輸入樣例，其中比較特別的是Incontext Learning，這里除了圖片中的信息，我還會給出一段文本中的信息，希望模型通過綜合兩個模態的信息給出答案。
Single-question answering
Template："Question: {} Answer:"
Input: [Query, Template]
Multi-questions answering
Context: "Question: {} Answer: {}."
Template: "Question: {} Answer: "
Input: [Query, Context, Template]
Incontext Learning
Template: "Context: {} Question: {}"
Input: [Query, Template]
Instructed Generation
Input: [Query, Command]
下面是一些測試樣例以及有趣的發現。粗體為模型的輸出結果。
樣例：Airbus 380
首先，我們問幾個簡單的問題
Q: What type of aircraft is this?
A: a a380
Q: What are the characteristics of this type of aircraft?
A: the a380 is the largest commercial passenger airline.
可以看到BLIP2基本給出了正確的回答，但當我詢問飛機載客量時，模型確依然給出了380，推測可能是這個飛機和380這個數字的聯系比較緊密。
Q: How many people can this aircraft accommodate?
A: 380
于是，同樣的問題，我們給出一點文字上的提示，這里摘取了一段Wiki上的介紹送入模型。
C: The Airbus A380 is a large wide-body airliner that was developed and produced by Airbus. It is the world's largest passenger airliner and only full-length double-deck jet airliner. Airbus studies started in 1988, and the project was announced in 1990 to challenge the dominance of the Boeing 747 in the long-haul market. The full-length double-deck aircraft has a typical seating for 525 passengers, with a maximum certified capacity for 853 passengers.
Q: How many people can the aircraft in this figure accommodate?
A: 853
這時，我們可以看到，模型成功的給出了回答。也就是說，模型有聯合兩個模態信息聯合推理的能力。如果我們使點壞呢，比如給出錯誤的Context。
C: The Airbus A350 is a long-range, wide-body twin-engine jet airliner developed and produced by Airbus.
Q: What type of aircraft is this figure?
A: airbus a350
可以看到，模型輸出了錯誤的答案。可能由于本身LLM對文字更加關注，而且Figure的概念可能對他來說并不熟悉，在他看來，32個Query只不過是帶Visual信息的Word Token。
樣例：交通標志
在這個樣例中，我們直接讓模型自己生成個問題。
Q: Give me several question about the figure.
A: What is the speed limit on the road?
接著，我們問問看，模型自己知道答案么？
Q: What is the speed limit on the road?
A: 40 mph.
可以看到，模型準確地給出了限速。接著我們讓他做一些簡單邏輯判斷。
Q: Can I drive 70 mph here?
A: No.
Q: Can I drive 30 mph here?
A: Yes.
模型竟然都能夠正確的給出答案。最后，來個OCR的任務，讓模型輸出牌子上寫了什么。
Q: What is written on this sign?
A: speed limit 40.
模型同樣也給出了正確的答案。可以看到，模型對于邏輯判斷和圖片中文字的識別，都有一定的基礎。
樣例：表格
這里先用文章中自己的表格做測試。
Q: What is the name of the table?
A: a comparison of the mri and ct scans.
Emmm，屬于是自家人不認自家人了。問問他認識自己不？
Q: Do you know BLIP2?
A: BLIP2 is a protein that in humans is encoded by the BLIP2 gene.
好吧，不認識。接著又有一些問題，模型的回答也不是很好。
Q: Which model in the table performs best?
A: dcm vs dcm vs dcm vs dcm vs dcm vs dcm.
Q: How many training parameters does BLIP2 have?
A: BLIP2 has a total of ten training parameters.
原因的話，其實比較好理解，表格的圖片相對于自然圖像的Gap較大，模型本身可能缺乏相應的訓練數據；其次，雖然32的Query使得信息變得精煉，但也使得模型的表達能力有了瓶頸，加上224x224的大小，這種小文字的識別其實是比較困難的。我們看下個例子。
樣例：圖表1
我們讓模型自己問個問題。
Q: Give me several question about the figure
A: What is the percentage of survival for those with no adolescent treatment?
可以看到，模型提問的大致方向是可以的，比如存活率。但是圖表中的Adjuvant Treatment卻被識別成了adolescent treatment。這說明，模型有一定的OCR能力，但不多。尤其是對于這種比較小又不常見的文字，很容易識別錯誤。
樣例：圖表2
同樣，先讓模型自己問個問題。
C: Caption: Fig. 3. The hospitalization and ICU ?gures from our simulation.
Q: Give me several question about the figure
A: What is the population of the city?
自問自答一下。
C: Caption: Fig. 3. The hospitalization and ICU ?gures from our simulation.
Q: What is the population of the city?
A: NYC population 8 million.
從這里不難看出，模型其實對于常見的單詞，即使圖片比較小也能夠很好地識別到。最后來個最難的。
Q: On day 20, approximately how many people were hospitalized?
A: 200, 000.
這個問題的要求其實挺高，需要模型根據坐標去推斷數值，不出意外的回答錯誤了。
Limitation
首先，不可否認的是，這篇工作確實讓我們的想象空間更多了，尤其是 Instructed Zero-shot Image-to-Text Generation 的能力，我覺得肯定還有沒有發現的潛在能力。但我們從測試樣例中也看到，模型還存在一些問題。在文章中，作者也給出了一些Bad Case，比如錯誤的建立聯系，錯誤的推斷依據以及過時的知識庫。
Bad Case
作者在文中對自己模型的不足主要解釋為，首先，
However, our experiments with BLIP-2?do not observe an improved VQA performance when providing the LLM with in-context VQA examples.?We attribute the lack of in-context learning capability to our pretraining dataset, which only contains a single image-text pair per sample.
由于圖文數據集大多數是一對一的匹配，所以很難讓模型建立上下文的聯系。
其次，
BLIP-2's image-to-text generation could have unsatisfactory results due to various reasons including inaccurate knowledge from the LLM, activating the incorrect reasoning path, or not having up-to-date information about new image content.
這個主要是由于LLM模型本身局限決定的。
除了作者提到的幾點，我覺得一下幾點也是可以探索的：
細粒度的識別，由于圖像的信息都濃縮在了32個Query中，所以能否識別細粒度信息以及圖像中重要的位置信息就成了疑問；
更多的任務，BLIP2強大zero-shot能力，能不能應用在更多的任務上，多模態的類似VG，單模態的類似Classification。
當然從傳感器與處理器的角度去看，其他模態（比如Audio）也可以拿個傳感器去測，然后送給處理器分析分析hhh
當然，BLIP2的能力應該還遠遠沒有被挖掘完，等有新的認識了再分享。
編輯：黃飛
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工商網監
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