开源模型OpenCLIP达成ImageNet里程碑成就

【导读】开源模型OpenCLIP达成ImageNet里程碑成就！

‍ ‍ 虽然ImageNet早已完成历史使命，但其在计算机视觉领域仍然是一个关键的数据集。 2016年，在ImageNet上训练后的分类模型，sota准确率仍然还不到80%；时至今日，仅靠大规模预训练模型的zero-shot泛化就能达到80.1%的准确率。 最近LAION使用开源代码OpenCLIP框架训练了一个全新的 ViT-G/14 CLIP 模型，在 ImageNet数据集上，原版OpenAI CLIP的准确率只有75.4%，而OpenCLIP实现了80.1% 的zero-shot准确率，在 MS COCO 上实现了74.9% 的zero-shot图像检索（Recall@5），这也是目前性能最强的开源 CLIP 模型。 LAION全称为Large-scale Artificial Intelligence Open Network，是一家非营利组织，其成员来自世界各地，旨在向公众提供大规模机器学习模型、数据集和相关代码。他们声称自己是真正的Open AI，100%非盈利且100%免费。 感兴趣的小伙伴可以把手头的CLIP模型更新版本了！

模型地址：https://huggingface.co/laion/CLIP-ViT-bigG-14-laion2B-39B-b160k

OpenCLIP模型在各个数据集上具体的性能如下表所示。

Zero-shot能力

一般来说，计算机视觉（CV）模型在各个任务上的sota性能都是基于特定领域的训练数据，无法泛化到其他领域或任务中，导致对视觉世界的通用属性理解有限。泛化问题对于那些缺少大量训练数据的领域尤其重要。 理想情况下，CV模型应该学会图像的语义内容，而非过度关注训练集中的特定标签。比如对于狗的图像，模型应该能够理解图像中有一只狗，更进一步来理解背景中有树、时间是白天、狗在草地上等等。 但当下采用「分类训练」得到的结果与预期正好相反，模型学习将狗的内部表征推入相同的「狗向量空间」，将猫推入相同的「猫向量空间」，所有的问题的答案都是二元，即图像是否能够与一个类别标签对齐。 对新任务重新训练一个分类模型也是一种方案，但是训练本身需要大量的时间和资金投入来收集分类数据集以及训练模型。 幸运的是，OpenAI 的CLIP模型是一个非常灵活的分类模型，通常不需要重新训练即可用于新的分类任务中。

CLIP为何能Zero-Shot

对比语言-图像预训练（CLIP, Contrastive Language-Image Pretraining）是 OpenAI 于2021年发布的一个主要基于Transformer的模型。

CLIP 由两个模型组成，一个Transformer编码器用于将文本转换为embedding，以及一个视觉Transformer（ViT）用于对图像进行编码。

CLIP内的文本和图像模型在预训练期间都进行了优化，以在向量空间中对齐相似的文本和图像。在训练过程中，将数据中的图像-文本对在向量空间中将输出向量推得更近，同时分离不属于一对的图像、文本向量。

CLIP与一般的分类模型之间有几个区别：

首先，OpenAI 使用从互联网上爬取下来的包含4亿文本-图像对的超大规模数据集进行训练，其好处在于：

1. CLIP的训练只需要「图像-文本对」而不需要特定的类标签，而这种类型的数据在当今以社交媒体为中心的网络世界中非常丰富。

2. 大型数据集意味着 CLIP 可以对图像中的通用文本概念进行理解的能力。

3. 文本描述（text descriptor）中往往包含图像中的各种特征，而不只是一个类别特征，也就是说可以建立一个更全面的图像和文本表征。

上述优势也是CLIP其建立Zero-shot能力的关键因素，论文的作者还对比了在ImageNet上专门训练的 ResNet-101模型和 CLIP模型，将其应用于从ImageNet 派生的其他数据集，下图为性能对比。

可以看到，尽管 ResNet-101是在ImageNet上进行训练的，但它在相似数据集上的性能要比 CLIP 在相同任务上的性能差得多。

在将 ResNet 模型应用于其他领域时，一个常用的方法是「linear probe」（线性探测），即将ResNet模型最后几层所学到的特性输入到一个线性分类器中，然后针对特定的数据集进行微调。

在CLIP论文中，线性探测ResNet-50与zero-shot的CLIP 进行了对比，结论是在相同的场景中，zero-shot CLIP 在多个任务中的性能都优于在ResNet-50中的线性探测。

不过值得注意的是，当给定更多的训练样本时，Zero-shot并没有优于线性探测。

用CLIP做Zero-shot分类

从上面的描述中可以知道，图像和文本编码器可以创建一个512维的向量，将输入的图像和文本输入映射到相同的向量空间。

用CLIP做Zero-shot分类也就是把类别信息放入到文本句子中。

举个例子，输入一张图像，想要判断其类别为汽车、鸟还是猫，就可以创建三个文本串来表示类别：

T1代表车：a photo of a car

T2代表鸟：a photo of a bird

T3代表猫：a photo of a cat

将类别描述输入到文本编码器中，就可以得到可以代表类别的向量。

假设输入的是一张猫的照片，用 ViT 模型对其进行编码获取图像向量后，将其与类别向量计算余弦距离作为相似度，如果与T3的相似度最高，就代表图像的类别属于猫。

可以看到，类别标签并不是一个简单的词，而是基于模板「a photo of a {label}」的格式重新改写为一个句子，从而可以扩展到不受训练限制的类别预测。

实验中，使用该prompt模板在ImageNet的分类准确性上提高了1.3个百分点，但prompt模板并不总是能提高性能，在实际使用中需要根据不同的数据集进行测试。

Python实现

想要快速使用CLIP做zero-shot分类也十分容易，作者选取了Hugging Face中的frgfm/imagenette数据集作为演示，该数据集包含10个标签，且全部保存为整数值。

使用 CLIP进行分类，需要将整数值标签转换为对应的文本内容。

在直接将标签和照片进行相似度计算前，需要初始化 CLIP模型，可以使用通过 Hugging Face transformers找到的 CLIP 实现。

文本transformer无法直接读取文本，而是需要一组称为token ID（或input _ IDs）的整数值，其中每个唯一的整数表示一个word或sub-word（即token）。

将转换后的tensor输入到文本transformer中可以获取标签的文本embedding

注意，目前CLIP输出的向量还没有经过归一化（normalize），点乘后获取的相似性结果是不准确的。

下面就可以选择一个数据集中的图像作测试，经过相同的处理过程后获取到图像向量。

将图像转换为尺寸为（1, 3, 224, 224）向量后，输入到模型中即可获得embedding

下一步就是计算图像embedding和数据集中的十个标签文本embedding之间的点积相似度，得分最高的即是预测的类别。

模型给出的结果为cassette player（盒式磁带播放器），在整个数据集再重复运行一遍后，可以得到准确率为98.7%

除了Zero-shot分类，多模态搜索、目标检测、 生成式模型如OpenAI 的 Dall-E 和 Stable disusion，CLIP打开了计算机视觉的新大门。

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审核编辑 ：李倩