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微軟新作,ImageBERT雖好,千萬級數(shù)據(jù)集才是亮點(diǎn)


2020-02-05 15:39 作者:


迎戰(zhàn)疫情,艾無限用愛與您同行

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微軟新作,ImageBERT雖好,千萬級數(shù)據(jù)集才是亮點(diǎn)
繼 2018 年谷歌的 BERT 模型獲得巨大成功之后,在純文本之外的任務(wù)上也有越來越多的研究人員借鑒了 BERT 的思維,開發(fā)出各種語音、視覺、視頻融合的 BERT 模型。

雷鋒網(wǎng) AI 科技評論曾專門整理并介紹了多篇將BERT應(yīng)用到視覺/視頻領(lǐng)域的重要論文,其中包括最早的VideoBERT以及隨后的ViLBERT、VisualBERT、B2T2、Unicoder-VL、LXMERT、VL-BERT等。其中VL-BERT是由來自中科大、微軟亞研院的研究者共同提出的一種新型通用視覺-語言預(yù)訓(xùn)練模型。繼語言BERT之后,視覺BERT隱隱成為一種新的研究趨勢。

近期,來自微軟的Bing 多媒體團(tuán)隊(duì)在arXiv上也同樣發(fā)表了一篇將BERT應(yīng)用到視覺中的論文《ImageBERT: Cross-modal Pre-training with Large-scale Weak-supervised Image-Text Data》

在這篇文章中,作者提出了一種新的視覺語言預(yù)訓(xùn)練模型ImageBERT,并從網(wǎng)絡(luò)上收集了一個(gè)大型的弱監(jiān)督圖像-文本數(shù)據(jù)集LAIT,包含了 10M(1千萬)的 Text-Image pairs,這也是目前最大的一個(gè)數(shù)據(jù)集。利用ImageBERT模型和LAIT數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練,在MSCOCO和Flicker30k上進(jìn)行文本到圖像、圖像到文本的檢索任務(wù)上獲得了不錯(cuò)的結(jié)果。

2、背景及相關(guān)工作
隨著Transformer的提出并廣泛應(yīng)用于跨模態(tài)研究,近一年以來,各項(xiàng)任務(wù)上獲得的結(jié)果被推向了一個(gè)新的“珠穆朗瑪峰”。雖然幾乎所有最新的工作都是基于Transformer,但這些工作在不同的方面各有不同。
模型架構(gòu)的維度:

BERT是面向輸入為一個(gè)或兩個(gè)句子的 NLP 任務(wù)的預(yù)訓(xùn)練模型。為了將 BERT 架構(gòu)應(yīng)用于跨模態(tài)任務(wù)中,現(xiàn)在已有諸多處理不同模態(tài)的方法。ViLBERT和LXMERT 先分別應(yīng)用一個(gè)單模態(tài)Transformer到圖像和句子上,之后再采用跨模態(tài)Transformer來結(jié)合這兩種模態(tài)。其他工作如VisualBERT, B2T2,Unicoder-VL, VL-BERT, Unified VLP,UNITER等等,則都是將圖像和句子串聯(lián)為Transformer的單個(gè)輸入。很難說哪個(gè)模型架構(gòu)更好,因?yàn)槟P偷男阅芊浅R蕾囉谥付ǖ膱鼍啊?br />
圖像視覺標(biāo)記維度:
最近幾乎所有的相關(guān)論文都將目標(biāo)檢測模型應(yīng)用到圖像當(dāng)中,同時(shí)將經(jīng)檢測的感興趣區(qū)(ROIs) 用作圖像描述符,就如語言標(biāo)記一般。與使用預(yù)訓(xùn)練的檢測模型的其他工作不同,VL-BERT 結(jié)合了圖像-文本聯(lián)合嵌入網(wǎng)絡(luò)來共同訓(xùn)練檢測網(wǎng)絡(luò),同時(shí)也將全局圖像特征添加到模型訓(xùn)練中。
可以發(fā)現(xiàn),基于區(qū)域的圖像特征是非常好的圖像描述符,它們形成了一系列可直接輸入到 Transformer 中的視覺標(biāo)記。

預(yù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)維度:
與可以利用大量自然語言數(shù)據(jù)的預(yù)訓(xùn)練語言模型不同,視覺-語言任務(wù)需要高質(zhì)量的圖像描述,而這些圖像描述很難免費(fèi)獲得。Conceptual Captions 是最為廣泛應(yīng)用于圖像-文本預(yù)訓(xùn)練的數(shù)據(jù),有 3 百萬個(gè)圖像描述,相對而言比其他的數(shù)據(jù)集都要大。UNITER 組合了四個(gè)數(shù)據(jù)集(Conceptual Captions,SBU Captions,Visual Genome, MSCOCO),形成了一個(gè)960萬的訓(xùn)練語料庫,并在多個(gè)圖像-文本跨模態(tài)任務(wù)上實(shí)現(xiàn)了最佳結(jié)果。LXMERT將一些VQA訓(xùn)練數(shù)據(jù)增添到預(yù)訓(xùn)練中,并且在VQA任務(wù)上也獲得了最佳結(jié)果。
我們可以發(fā)現(xiàn),數(shù)據(jù)的質(zhì)量和大小對于模型訓(xùn)練而言至關(guān)重要,研究者們在設(shè)計(jì)新的模型時(shí)應(yīng)該對此給予更大的關(guān)注。

3、數(shù)據(jù)集收集
基于語言模型的BERT,可以使用無限的自然語言文本,例如BooksCorpus或Wikipedia;與之不同,跨模態(tài)的預(yù)訓(xùn)練需要大量且高質(zhì)量的vision-language對。
目前最新的跨模態(tài)預(yù)訓(xùn)練模型常用的兩個(gè)數(shù)據(jù)集分別是:
The Conceptual Captions (CC) dataset:包含了3百萬帶有描述的圖像,這些圖像是從網(wǎng)頁的Alt-text HTML屬性中獲取的;
SBU Captions:包含了1百萬用戶相關(guān)標(biāo)題的圖像。
但這些數(shù)據(jù)集仍然不夠大,不足以對具有數(shù)億參數(shù)的模型進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練(特別是在將來可能還會有更大的模型)。
為此,作者設(shè)計(jì)了一種弱監(jiān)督的方法(如下圖所示),從Web上收集了一個(gè)大規(guī)模的圖像文本數(shù)據(jù)集。


弱監(jiān)督數(shù)據(jù)收集流程
先是從網(wǎng)絡(luò)上收集數(shù)億的網(wǎng)頁,從中清除掉所有非英語的部分,然后從中收集圖片的URLs,并利用HTML 標(biāo)記和DOM樹特征檢測出主要圖片(丟棄非主要圖片,因?yàn)樗鼈兛赡芘c網(wǎng)頁無關(guān))。
隨后僅保留寬度和高度均大于300像素的圖片,并將一些色情或淫穢內(nèi)容的圖片以及一些非自然的圖片丟棄。

針對剩下的圖片,將HTML中用戶定義元數(shù)據(jù)(例如Alt、Title屬性、圖片周圍文本等)用作圖像的文本描述.
為了確保文字和圖片在語義上是相關(guān)的,作者利用少量image-text監(jiān)督數(shù)據(jù),訓(xùn)練了一個(gè)弱image-text語義模型來預(yù)測<text, image>在語義上是否相關(guān)。用這個(gè)模型從十億規(guī)模的image-text 對中過濾掉相關(guān)性不高的數(shù)據(jù),從而生成的數(shù)據(jù)集LAIT(Large-scale weAk-supervised Image-Text),其中包含了 一千萬張圖片,圖片描述的平均長度為13個(gè)字。




LAIT數(shù)據(jù)集中的樣本
4、ImageBERT模型



如上圖所示,ImageBERT模型的總體架構(gòu)和BERT類似,都采用了Transformer作為最基礎(chǔ)的架構(gòu)。不同之處在于將圖像視覺的標(biāo)記和問題標(biāo)注作為輸入。注意其中圖像視覺標(biāo)記是從Faster-RCNN模型提取的ROL特征。
通過一層嵌入層將文本和圖像編碼成不同的嵌入,然后將嵌入傳送到多層雙自我注意Transformer中來學(xué)習(xí)一個(gè)跨模態(tài)Transformer,從而對視覺區(qū)域和文字標(biāo)記之間的關(guān)系進(jìn)行建模。

1)嵌入建模
整個(gè)嵌入建模分為三個(gè)部分:語言嵌入、圖像嵌入、序列位置和片段嵌入。
在語言嵌入模塊中采用了與BERT相似的詞預(yù)處理方法。具體而言,是用WordPiece方法將句子分成(標(biāo)記)n個(gè)子詞{w0,...,wn-1}。一些特殊的標(biāo)記,例如CLS和SEP也被增添到標(biāo)記的文本序列里。每個(gè)子詞標(biāo)記的最終嵌入是通過組合其原始單詞嵌入、分段嵌入和序列位置嵌入來生成的。

與語言嵌入類似,圖像嵌入也是通過類似的過程從視覺輸入中產(chǎn)生的。用Faster-RCNN從 o RoIs中提取特征(記為{r0,...ro-1}),從圖像中提取特征,從而讓這兩個(gè)特征代表視覺內(nèi)容。檢測到的物體對象不僅可以為語言部分提供整個(gè)圖像的視覺上下文(visual contexts),還可以通過詳細(xì)的區(qū)域信息與特定的術(shù)語相關(guān)聯(lián)。另外,還通過將對象相對于全局圖像的位置編碼成5維向量來向圖像嵌入添加位置嵌入。5維向量表示如下:

其中,(xtl,ytl)以及(xbr,ybr)分別代表邊界框的左上角和右下角坐標(biāo)。5維向量中的第五個(gè)分向量相對于整個(gè)圖像的比例面積。

另外,物體特征和位置嵌入都需要通過語言嵌入投影到同一維度。e(i)代表每個(gè)圖像的RoI。其計(jì)算通過加總對象嵌入、分段嵌入、圖像位置嵌入以及序列位置嵌入獲得。這意味著每個(gè)嵌入被投影到一個(gè)向量之中,然后用同樣的嵌入大小作為Transformer 隱藏層的尺寸,最后采用正則化層。

在序列位置和片段嵌入中,因?yàn)闆]有檢測到Rol的順序,所以其對所有的視覺標(biāo)記使用固定的虛擬位置,并且將相應(yīng)的坐標(biāo)添加到圖像嵌入中。

2)多階段預(yù)訓(xùn)練
不同的數(shù)據(jù)集來源不同,所以其數(shù)據(jù)集質(zhì)量也就不同。為了充分利用不同類型的數(shù)據(jù)集,作者提出了多階段預(yù)訓(xùn)練框架。如下圖所示。
其主要思想是先用大規(guī)模域外數(shù)據(jù)訓(xùn)練預(yù)先訓(xùn)練好的模型,然后再用小規(guī)模域內(nèi)數(shù)據(jù)訓(xùn)練。在多階段預(yù)訓(xùn)練中,為了有順序地利用不同種類的數(shù)據(jù)集,可以將幾個(gè)預(yù)訓(xùn)練階段應(yīng)用到相同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
更為具體的,在ImageBERT模型中使用兩階段的預(yù)訓(xùn)練策略。第一個(gè)階段使用LAIT數(shù)據(jù)集,第二個(gè)階段使用其他公共數(shù)據(jù)集。注意,兩個(gè)階段應(yīng)使用相同的訓(xùn)練策略。

3)預(yù)訓(xùn)練任務(wù)
在模型預(yù)訓(xùn)練過程中,設(shè)計(jì)了四個(gè)任務(wù)來對語言信息和視覺內(nèi)容以及它們之間的交互進(jìn)行建模。四個(gè)任務(wù)分別為:掩碼語言建模(Masked Language Modeling)、掩碼對象分類(Masked Object Classification)、掩碼區(qū)域特征回歸(Masked Region Feature Regression)、圖文匹配(Image-Text Matching)。

掩碼語言建模簡稱MLM,在這個(gè)任務(wù)中的訓(xùn)練過程與BERT類似。并引入了負(fù)對數(shù)似然率來進(jìn)行預(yù)測,另外預(yù)測還基于文本標(biāo)記和視覺特征之間的交叉注意。

掩碼對象分類簡稱MOC,是掩碼語言建模的擴(kuò)展。與語言模型類似,其對視覺對象標(biāo)記進(jìn)行了掩碼建模。并以15%的概率對物體對象進(jìn)行掩碼,在標(biāo)記清零和保留的概率選擇上分別為90%和10%。另外,在此任務(wù)中,還增加了一個(gè)完全的連通層,采用了交叉熵最小化的優(yōu)化目標(biāo),結(jié)合語言特征的上下文,引入負(fù)對數(shù)似然率來進(jìn)行預(yù)測正確的標(biāo)簽。

掩碼區(qū)域特征回歸簡稱MRFR,與掩碼對象分類類似,其也對視覺內(nèi)容建模,但它在對象特征預(yù)測方面做得更精確。顧名思義,該任務(wù)目的在于對每個(gè)掩碼對象的嵌入特征進(jìn)行回歸。在輸出特征向量上添加一個(gè)完全連通的圖層,并將其投影到與匯集的輸入RoI對象特征相同的維度,然后應(yīng)用L2損失函數(shù)來進(jìn)行回歸。

值得注意的是,上述三個(gè)任務(wù)都使用條件掩碼,這意味著當(dāng)輸入圖像和文本相關(guān)時(shí),只計(jì)算所有掩碼損失。

在圖文匹配任務(wù)中,其主要目標(biāo)是學(xué)習(xí)圖文對齊(image-text alignment)。具體而言對于每個(gè)訓(xùn)練樣本對每個(gè)圖像隨機(jī)抽取負(fù)句(negative sentences),對每個(gè)句子隨機(jī)抽取負(fù)圖像(negative images),生成負(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)。在這個(gè)任務(wù)中,其用二元分類損失進(jìn)行優(yōu)化。
4)微調(diào)任務(wù)
經(jīng)過預(yù)訓(xùn)練,可以得到一個(gè)“訓(xùn)練有素”的語言聯(lián)合表征模型,接下來需要對圖文檢索任務(wù)模型進(jìn)行微調(diào)和評估,因此本任務(wù)包含圖像檢索和文本檢索兩個(gè)子任務(wù)。圖像檢索目的是給定輸入字幕句能夠檢索正確的圖像,而圖像文本檢索正好相反。經(jīng)過兩個(gè)階段的預(yù)訓(xùn)練后,在MSCoCO和Flickr30k數(shù)據(jù)集上對模型進(jìn)行了微調(diào),在微調(diào)過程中,輸入序列的格式與預(yù)訓(xùn)練時(shí)的格式相同,但對象或單詞上沒有任何掩碼。另外,針對不同的負(fù)采樣方法提出了兩個(gè)微調(diào)目標(biāo):圖像到文本和文本到圖像。

為了使得提高模型效果,還對三種不同的損失函數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),這三種損失函數(shù)分別為:二元分類損失、多任務(wù)分類損失、三元組損失(Triplet loss)。關(guān)于這三種微調(diào)損失的組合研究,實(shí)驗(yàn)部分將做介紹。
5、實(shí)驗(yàn)
針對圖像-文本檢索任務(wù),作者給出了零樣本結(jié)果來評估預(yù)訓(xùn)練模型的質(zhì)量和經(jīng)過進(jìn)一步微調(diào)后的結(jié)果。下面是在 MSCOCO 和Flickr30k 數(shù)據(jù)集的不同設(shè)置下,對ImageBERT模型和圖像檢測和文本檢索任務(wù)上其他最先進(jìn)的方法進(jìn)行的比較。

1)評估預(yù)訓(xùn)練模型
如前面所提到,模型經(jīng)過了兩次預(yù)訓(xùn)練。首先是在 LAIT 數(shù)據(jù)集上,采用從基于BERT 的模型初始化的參數(shù)對模型進(jìn)行了預(yù)訓(xùn)練;然后又在公開數(shù)據(jù)集(Conceptual Captions, SBU Captions)上對模型進(jìn)行二次預(yù)訓(xùn)練。具體過程和實(shí)驗(yàn)設(shè)置請參考論文。

在沒有微調(diào)的情況下,作者在Flickr30k和MSCOCO測試集上對預(yù)訓(xùn)練模型進(jìn)行了評估,如下:

零樣本結(jié)果如表 1 所示,我們可以發(fā)現(xiàn),ImageBERT預(yù)訓(xùn)練模型在MSCOCO 獲得了新的最佳結(jié)果,但在Flickr30k數(shù)據(jù)集上卻比 UNITER模型的表現(xiàn)稍差。

在微調(diào)后,ImageBERT模型獲得了有競爭力的結(jié)果,相關(guān)情況在表2 部分進(jìn)行說明。值得一提的是,相比于其他僅有一個(gè)預(yù)訓(xùn)練階段的方法,這種多階段的預(yù)訓(xùn)練策略在預(yù)訓(xùn)練期間學(xué)到了更多有用的知識,因而能夠有助于下游任務(wù)的微調(diào)階段。

2)評估微調(diào)模型
在檢索任務(wù)上微調(diào)后的最終結(jié)果如表2 所示。我們可以看到,ImageBERT模型在Flickr30k 和 MSCOCO(同時(shí)在 1k和 5k的測試集)上都實(shí)現(xiàn)了最佳表現(xiàn),并且超越了所有的其他方法,從而證明了本文所提的面向跨模態(tài)聯(lián)合學(xué)習(xí)的 LAIT 數(shù)據(jù)和多階段預(yù)訓(xùn)練策略的有效性。

3)消融實(shí)驗(yàn)
作者也在 Flickr3k 數(shù)據(jù)集上對預(yù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的不同組合、全局視覺特征的顯示、不同的訓(xùn)練任務(wù)等進(jìn)行了消融實(shí)驗(yàn),以進(jìn)一步研究ImageBERT模型的架構(gòu)和訓(xùn)練策略。

預(yù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集

作者使用不同數(shù)據(jù)集的組合來進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如表3所示。CC表示的僅在 Conceptual Captions 數(shù)據(jù)集上進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練;SBU 表示僅在 SBU Captions數(shù)據(jù)集上進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練;LAIT+CC+SBU表示使用LAIT, Conceptual Caption 和 SBU Captions的組合數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練;LAIT → CC+SBU 表示使用 LAIT 來完成第一階段的預(yù)訓(xùn)練,之后使用 Conceptual Captions和SBU Captions 數(shù)據(jù)集來做第二階段的預(yù)訓(xùn)練。

可以看到,用多階段的方法來使用三種不同的域外數(shù)據(jù)集,獲得了比其他方法明顯更好的結(jié)果。
全局圖像特征

值得注意的是,檢測的ROIs可能并不包含整個(gè)圖像的所有信息。因此,作者也嘗試將全局圖像特征添加到視覺部分。文章使用了三個(gè)不同的CNN 模型(DenseNet,Resnet, GoogleNet)從輸入圖像上提取全局視覺特征,然而卻發(fā)現(xiàn)并非所有的指標(biāo)都會提高。結(jié)果如表4的第1部分所示。

預(yù)訓(xùn)練損失
作者也將由UNITER引起的MRFR損失添加到預(yù)訓(xùn)練中,結(jié)果在零樣本結(jié)果上獲得略微提高,結(jié)果如表4 的第2 部分所示。這意味著增加一個(gè)更難的任務(wù)來更好地對視覺內(nèi)容進(jìn)行建模,有助于視覺文本聯(lián)合學(xué)習(xí)。

圖像中的目標(biāo)數(shù)量 (RoIs)
為了理解ImageBERT模型的視覺部分的重要性,作者基于不同的目標(biāo)數(shù)量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。如表4的第4部分所示,ImageBERT模型在目標(biāo)最少(目標(biāo)數(shù)量與ViLBERT一樣)的情況下,在檢索任務(wù)上并沒有獲得更好的結(jié)果。

可以得出結(jié)論,更多的目標(biāo)確實(shí)能夠幫助模型實(shí)現(xiàn)更好的結(jié)果,因?yàn)楦嗟?RoIs 有助于理解圖像內(nèi)容。
微調(diào)損失

針對在第4部分所提到的三項(xiàng)損失,作者嘗試在微調(diào)期間進(jìn)行不同的組合。如表4的第4 部分所示,模型通過使用二元交叉熵?fù)p失(Binary Cross-Entropy Loss),本身就能在圖像-文本檢索任務(wù)上獲得最佳的微調(diào)結(jié)果


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