目前CV領(lǐng)域中包括兩種典型的訓(xùn)練模式，第一種是傳統(tǒng)的圖像分類訓(xùn)練，以離散的label為目標(biāo)，人工標(biāo)注、收集干凈、大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，訓(xùn)練圖像識(shí)別模型。第二種方法是最近比較火的基于對(duì)比學(xué)習(xí)的圖文匹配訓(xùn)練方法，利用圖像和其對(duì)應(yīng)的文本描述，采用對(duì)比學(xué)習(xí)的方法訓(xùn)練模型。這兩種方法各有優(yōu)劣，前者可以達(dá)到非常高的圖像識(shí)別精度、比較強(qiáng)的遷移能力，但是依賴人工標(biāo)注數(shù)據(jù)；后者可以利用海量噪聲可能較大的圖像文本對(duì)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，在few-shot learning、zero-shot learning上取得很好的效果，但是判別能力相比用干凈label訓(xùn)練的方法較弱。今天給大家介紹一篇CVPR 2022微軟發(fā)表的工作，融合兩種數(shù)據(jù)的一個(gè)大一統(tǒng)對(duì)比學(xué)習(xí)框架。

論文題目：Unified Contrastive Learning in Image-Text-Label Space

下載地址：https://arxiv.org/pdf/2204.03610.pdf

CVPR 2022微軟發(fā)表的這篇工作，希望同時(shí)利用圖像、文本、label三者的信息，構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一的對(duì)比學(xué)習(xí)框架，同時(shí)利用兩種訓(xùn)練模式的優(yōu)勢(shì)。下圖反映了兩種訓(xùn)練模式的差異，Image-Label以離散label為目標(biāo)，將相同概念的圖像視為一組，完全忽視文本信息；而Image-Text以圖文對(duì)匹配為目標(biāo)，每一對(duì)圖文可以視作一個(gè)單獨(dú)的label，文本側(cè)引入豐富的語(yǔ)義信息。

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兩種數(shù)據(jù)的融合

上面所說(shuō)的Image-Label和Image-Text兩種數(shù)據(jù)，可以表示成一個(gè)統(tǒng)一的形式：（圖像，文本，label）三元組。其中，對(duì)于Image-Lable數(shù)據(jù)，文本是每個(gè)label對(duì)應(yīng)的類別名稱，label對(duì)應(yīng)的每個(gè)類別的離散標(biāo)簽；對(duì)于Image-Text數(shù)據(jù)，文本是每個(gè)圖像的文本描述，label對(duì)于每對(duì)匹配的圖文對(duì)都是不同的。將兩種數(shù)據(jù)融合到一起，如下圖右側(cè)所示，可以形成一個(gè)矩陣，填充部分為正樣本，其他為負(fù)樣本。Image-Label數(shù)據(jù)中，對(duì)應(yīng)類別的圖文為正樣本；Image-Text中對(duì)角線為正樣本。

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損失函數(shù)

在上述矩陣的基礎(chǔ)上，可以利用對(duì)比學(xué)習(xí)的思路構(gòu)建融合Image-Label和Image-Text兩種數(shù)據(jù)優(yōu)化函數(shù)。對(duì)于一個(gè)batch內(nèi)的所有樣本，分別使用圖像Encoder和文本Encoder得到圖像和文本的表示，并進(jìn)行歸一化，然后計(jì)算圖像文本之間的相似度，和CLIP類似。其中Image-to-Text損失函數(shù)可以表示為：

以樣本i（文本）為中心，k表示當(dāng)前batch內(nèi)，和樣本i的label相同的圖像，j表示batch內(nèi)所有其他樣本。也就是說(shuō)，對(duì)于每個(gè)文本，損失函數(shù)的分子是和該文本匹配的圖像，分母是batch內(nèi)所有圖像。Text-to-Image損失函數(shù)也類似。最終BiC loss是二者之和：

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與其他損失函數(shù)的對(duì)比

BiC loss和交叉熵、Supervised Contrast以及CLIP三種方法的損失函數(shù)差別如下圖所示，這幾種損失函數(shù)之間存在著一定的聯(lián)系。

與交叉熵?fù)p失的關(guān)系：如果text encoder只是一個(gè)普通的全連接，并且batch size相比類別數(shù)量足夠大，以至于一個(gè)batch內(nèi)所有類別的樣本都出現(xiàn)過(guò)，那么BiC和交叉熵等價(jià)。因此BiC相比交叉熵更具一般性，BiC讓具有相似文本描述的圖像表示形成類簇，不具有相似文本描述的圖像被拉遠(yuǎn)。文本側(cè)也更加靈活，能夠使用任意種類的文本輸入，結(jié)合更豐富的文本Encoder聯(lián)合學(xué)習(xí)。

與SupCon的關(guān)系：SupCon是圖像對(duì)比學(xué)習(xí)，訓(xùn)練數(shù)據(jù)每對(duì)pair都是圖像，共用一個(gè)Encoder；而B(niǎo)iC針對(duì)的是跨模態(tài)對(duì)比學(xué)習(xí)，圖片和文本跨模態(tài)對(duì)齊。但是兩者的核心思路都是根據(jù)有l(wèi)abel數(shù)據(jù)，將batch內(nèi)出現(xiàn)樣本更多置為正樣本。

與CLIP的關(guān)系：和CLIP的主要差別在于，利用label信息將一部分非對(duì)角線上的元素視為正樣本。如果這里不使用Image-Label數(shù)據(jù)，那么就和CLIP相同。

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實(shí)驗(yàn)效果

圖像分類效果對(duì)比：相比使用交叉熵?fù)p失和有監(jiān)督對(duì)比學(xué)習(xí)，文中提出的UniCL在多個(gè)模型和數(shù)據(jù)集上取得較好的效果。尤其是在小數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練時(shí)，UniCL比交叉熵訓(xùn)練效果提升更明顯，因?yàn)橐氲膱D文匹配方式讓具有相似語(yǔ)義圖像聚集在一起，緩解了過(guò)擬合問(wèn)題。

文本Encoder和損失函數(shù)對(duì)比：文中也對(duì)比了文本Encoder是否引入的效果，如果將Transformer替換成線性層，效果有所下降，表明文本Encoder的引入能夠幫助模型學(xué)習(xí)到1000多個(gè)類別之間的關(guān)系文本語(yǔ)義關(guān)系，有助于提升圖像分類效果。同時(shí)，如果去掉i2t的loss只保留t2i的loss，會(huì)導(dǎo)致效果大幅下降。

Image-Text引入對(duì)Image-Label效果提升：對(duì)于上面3行和下面3行，下面3行引入額外Image-Text數(shù)據(jù)的圖像分類效果要顯著優(yōu)于只使用圖像分類數(shù)據(jù)的效果。

Image-Label引入對(duì)Image-Text效果提升：通過(guò)下面實(shí)驗(yàn)對(duì)比，引入Image-Label對(duì)Image-Text效果有一定提升作用。

下圖繪制了使用CLIP（左）和UniCL（右）兩種方法訓(xùn)練的圖像embedding的t-sne圖。可以看到，使用CLIP訓(xùn)練的模型，不同類別的圖像表示混在一起；而使用UniCL訓(xùn)練的模型，不同類別的圖像表示能夠比較好的區(qū)分。

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總結(jié)

本文介紹了融合Image-Text和Image-Label兩種數(shù)據(jù)的的多模態(tài)訓(xùn)練新方式，充分利用了不同的圖像-文本數(shù)據(jù)，信息相互補(bǔ)充，相比單獨(dú)使用一個(gè)數(shù)據(jù)取得非常好的效果。Label的引入也讓對(duì)比學(xué)習(xí)的正負(fù)樣本構(gòu)造更加科學(xué)。

原文標(biāo)題：圖文匹配 + 圖像分類 = 統(tǒng)一多模態(tài)對(duì)比學(xué)習(xí)框架

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