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大家好，我是极智视界，本文详细介绍一下 BLIP 算法的设计与实现。
多模态一定不是一个新鲜的话语，随着 AI 的发展，也正成为一种趋势。 Vision-Language Pre-training (VLP) + Fine-tuning => Zero Shot / Few Shot 的模式是 快速 解决 多下游任务 的一个好的模式，VLP 是这个模式的开端，所以对于 VLP 的相关研究也很多。BLIP 是一个新的 VLP 架构，可以灵活、快速的应用到下游任务，如：图像-文本检索、图像翻译、以及 VQA 等。
本文不止会介绍 BLIP 的原理，还会介绍 BLIP 的实现，包括代码。下面开始。
参考 Paper：《BLIP: Bootstrapping Language-Image Pre-training for Unifified Vision-Language Understanding and Generation》。
文章目录
1 BLIP 算法原理
因为之前看过像 CLIP 这样的工作，所以在看完 BLIP 后，很自然的会进行一个对比。列一下一些对比：
(1) 模型方面
- CLIP 采用了 image-encoder (ViT / ResNet) & text-encoder (transformer)，然后直接拿图片特征和文本特征做余弦相似度对比，得到结果；
- BLIP 的模型结构看上图，BLIP 的做法要复杂挺多，会涉及四个结构：
- Image Encoder (ViT)：首先进行图像特征的提取，这个前向过程相对较重；
- Text Encoder (BERT)：这是一个标准的 BERT，这里用 ITC (Image-Text Contrastive Loss) 目标函数激活 Text Encoder 模块，目标是对齐 Image Encoder Transformer 和 Text Encoder Transformer 的特征空间；
- Image-grounded Text Encoder (变种 BERT)：在标准 BERT 的结构里，于 Bi Self-Att 和 Feed Forward 之间插入 Cross Attention (CA) 模块，以引入视觉特征。这里用 ITM (Image-Text Matching Loss) 目标函数激活，ITM 是一个二分类任务，用来预测 image-text pair 的正匹配还是负匹配，目的是学习 image-text 的多模态表示，调整视觉和语言之间的细粒度对齐；
- Image-grounded Text Decoder (变种 BERT)： 将Image-grounded Text Encoder结构中的 Bi Self-Att 替换为 Causal Self-Att。这里用 Language Modeling Loss (LM) 目标函数激活，目标是生成给定图像的文本描述。
(2) 数据方面
- CLIP 的数据来源于 Web 上爬来的 图像-文本对，所以数据集很容易扩充的很大，而且采用对比学习的方式，基本属于自监督了，不太需要做数据标注；
- BLIP 改进了 CLIP 直接从 Web 取数据噪声大的缺点，提出了 Captioning and Filtering (CapFilt) 模块，这个模块就是用来减小噪声、丰富数据的，主要包括两个模块：
- Captioner 字幕器：一个用于生成给定 web 图像字幕的字幕器，字幕器是一个基于图像的文本解码器，用 LM 目标函数激活，对给定图像的文本进行解码；
- Filter 过滤器：一个用于去除噪声 image-text pair 的过滤器，过滤器是一个基于图像的文本编码器，用 ITC 和 ITM 目标函数激活，通过判断 原始文本 / 生成文本 和 图像是否匹配，用以过滤噪声文本，提高文本语料库的质量；
- 来看个 CapFilt 的示例，其中Tw 表示 Web Text，Ts 表示 合成文本；绿色 文本是被 filter 认可的，而 红色 文本是被 filter 拒绝的：
当把 BLIP 和 CLIP 从 模型角度 和 数据角度 方法进行对比分析后，其实 CLIP 大部分的原理也都讲完了，还有些如训练的方式 => 把图片随机裁剪到 224 x 224 进行预训练，然后提升到 384 x 384 进行 finetuning；prompt；parameter sharing；Nucleus Sampling / Beam Sampling 等技术就不多说了，这些大多是引用了其他工作的方法。
下面贴两个实验数据。
首先是 BLIP 与 COCO 和 Flickr30K 数据集上 SOTA 的 图像-文本 检索方法进行比较，如下：
然后是 BLIP Zero-shot 能力的展现：
从以上的实验数据可以看出，CLIP 的 能力 非常的优秀。
下面来看 CLIP 的实现。
2 BLIP 算法实现
首先下载工程：
安装依赖：
pip install -i https://pypi.douban.com/simple \
timm==0.4.12 \
transformers==4.15.0 \
fairscale==0.4.4 \
pycocoevalcap
# 或者直接一键安装
pip install -i https://pypi.douban.com/simple -r requirements.txt
接着咱们下载 预训练权重：
# Download the weights in ./checkpoints beforehand for fast inference
wget https://storage.googleapis.com/sfr-vision-language-research/BLIP/models/model*_base_caption.pth
wget https://storage.googleapis.com/sfr-vision-language-research/BLIP/models/model*_vqa.pth
wget
咱们这里拿 Zero-shot video-text 检索来讲实现把，若你想进行 Zero-shot video-text 检索，可以这样：
# 1. Download MSRVTT dataset following the instructions from https://github.com/salesforce/ALPRO, and set 'video_root' accordingly in configs/retrieval_msrvtt.yaml.
# 2. Install decord with
pip install -i https://pypi.douban.com/simple decord
# 3. To perform zero-shot evaluation, run
python -m torch.distributed.run --nproc_per_node=8
接着我们看 eval_retrieval_video.py：
## eval_retrieval_video.py
# 导入很多依赖
import .....
# 后处理不管它
def evaluation(model, data_loader, tokenizer, device, config):
...
def main(args, config):
...
#### Dataset ####
print("Creating retrieval dataset")
test_dataset = VideoDataset(config['video_root'],config['ann_root'],num_frm=config['num_frm_test'],
max_img_size=config['image_size'], frm_sampling_strategy='uniform')
test_loader = DataLoader(
test_dataset,
batch_size=config['batch_size'],
num_workers=4,
pin_memory=True,
drop_last=False,
shuffle=False,
)
# 主要讲构建 Model
#### Model ####
print("Creating model")
model = blip_retrieval(pretrained=config['pretrained'], image_size=config['image_size'], vit=config['vit'])
model = model.to(device)
...
来看 BLIP_Retrieval：
## blip_retrieval.py
class BLIP_Retrieval(nn.Module):
# init
def __init__(self,
med_config = 'configs/med_config.json',
image_size = 384,
vit = 'base',
vit_grad_ckpt = False,
vit_ckpt_layer = 0,
embed_dim = 256,
queue_size = 57600,
momentum = 0.995,
negative_all_rank = False,
):
...
def forward(self, image, caption, alpha, idx):
...
# Image 编码 ViT
image_embeds = self.visual_encoder(image)
...
# Text 编码 BERT
text_output = self.text_encoder(text.input_ids, attention_mask = text.attention_mask, return_dict = True, mode = 'text')
...
# Text 编码 变种BERT 融入视觉特征 CA
output_pos = self.text_encoder(encoder_input_ids,
attention_mask = text.attention_mask,
encoder_hidden_states = image_embeds,
encoder_attention_mask = image_atts,
return_dict = True,
)
...
以上可以看到用 Vit/B 来构建了 Image transformer 模块，而用 configs/med_config.json 来配置 BERT 及其变种，可以看下 med_config.json：
## configs/med_config.json
{
"architectures": [
"BertModel"
],
"attention_probs_dropout_prob": 0.1,
"hidden_act": "gelu",
"hidden_dropout_prob": 0.1,
"hidden_size": 768,
"initializer_range": 0.02,
"intermediate_size": 3072,
"layer_norm_eps": 1e-12,
"max_position_embeddings": 512,
"model_type": "bert",
"num_attention_heads": 12,
"num_hidden_layers": 12,
"pad_token_id": 0,
"type_vocab_size": 2,
"vocab_size": 30524,
"encoder_width": 768,
"add_cross_attention": true # 控制是否加入 CA 结构
}
以上展示了 CLIP 模型的构建实现，如果你想玩，可以自己 clone 下工程去跑一跑。
好了，以上分享了 多模态新姿势 BLIP 的算法原理和实现。希望我的分享能对你的学习有一点帮助。
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