OpenAI又放大招：连接文本与图像的CLIP，在ImageNet上效果媲美ResNet50

机器学习算法工程师

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· 2021-01-15

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本文转自'AI科技评论'公众号

编译 | 蒋宝尚、陈彩娴

2020年，通用模型产生了经济价值，特别是GPT-3，它的出现证明了大型语言模型具有惊人的语言能力，并且在执行其他任务方面也毫不逊色。

2021年，OpenAI 联合创始人 Ilya Sutskever预测语言模型会转向视觉领域。他说：“下一代模型，或许可以针对文本输入，从而编辑和生成图像。”

听话听音！OpenAI 践行了这一想法，几个小时前，OpenAI通过官方推特发布了两个崭新的网络，一个叫DALL-E（参见今天推送的头条），能够通过给定的文本创建出图片；一个叫CLIP，能够将图像映射到文本描述的类别中。

其中，CLIP可以通过自然语言监督有效学习视觉概念，从而解决目前深度学习主流方法存在的几个问题：

1.需要大量的训练数据集，从而导致较高的创建成本。

2.标准的视觉模型，往往只擅长一类任务，迁移到其他任务，需要花费巨大的成本。

3.在基准上表现良好的模型，在测试中往往不尽人意。

具体而言，OpenAI从互联网收集的4亿(图像、文本)对的数据集，在预训练之后，用自然语言描述所学的视觉概念，从而使模型能够在zero-shot状态下转移到下游任务。这种设计类似于GPT-2和GPT-3的“zero-shot”。

这一点非常关键，因为这意味着，可以不直接针对基准进行优化，同时表现出了优越的性能：稳健性差距（robustness gap）缩小了75%，性能和ResNet507相当。换句话说。无需使用其训练的128万个训练样本中的任何一个，即可与原始ResNet-50 在 Image Net Zero-shot的精确度相匹配。

如上图所示，虽然两个模型在ImageNet测试集上的准确度相差无几，但CLIP的性能更能代表在非ImageNet设置下的表现。

CLIP网络中做了大量的工作是关于zero-shot 迁移的学习、自然语言监督、多模态学习。其实，关于零数据学习的想法可以追溯到十年前，但是最近在计算机视觉中火了起来。零数据学习的一个重点是：利用自然语言作为灵活的预测空间，从而实现泛化和迁移。另外，在2013年，斯坦福大学的Richer Socher通过训练CIFAR-10上的一个模型，在词向量嵌入空间中进行预测，并表明模型可以预测两个“未见过”的类别。Richer的工作提供了一个概念证明。

CLIP是过去一年，从自然语言监督中学习视觉表征工作中的一部分。CLIP使用了更现代的架构，如Transformer，包括探索自回归语言建模的Virtex，研究掩蔽语言建模的ICMLM等等。

方法

前面也提到，CLIP训练的数据来源于互联网上4亿数据对。用这些数据，CLIP需要完成的任务是：给定一幅图像，在32,768个随机抽样的文本片段中，找到能够匹配的那一个。

完成这个任务，需要CLIP模型学会识别图像中的各种视觉概念，并将概念和图片相关联。因此，CLIP模型可以应用于几乎任意的视觉分类任务。例如，如果一个数据集的任务是对狗与猫的照片进行分类，而CLIP模型预测 "一张狗的照片 "和 "一张猫的照片 "这两个文字描述哪个更匹配。

如上图所示，CLIP网络工作流程：预训练图编码器和文本编码器，以预测数据集中哪些图像与哪些文本配对。然后，将CLIP转换为zero-shot分类器。此外，将数据集的所有类转换为诸如“一只狗的照片”之类的标签，并预测最佳配对的图像。

总体而言，CLIP能够解决：

1.昂贵的数据集：ImageNet中1400万张图片的标注，动用了25,000名劳动力。相比之下，CLIP使用的是已经在互联网上公开提供的文本-图像对。自我监督学习、对比方法、自我训练方法和生成式建模也可以减少对标注图像的依赖。

2.任务单一：CLIP可以适用于执行各种视觉分类任务，而不需要额外的训练。

3.实际应用性能不佳：深度学习中“基准性能”与“实际性能”之间存在差距是一直以来的“痛”。这种差距之所以会出现，是因为模型“作弊”，即仅优化其在基准上的性能，就像一个学生仅仅通过研究过去几年的试题就能通过考试一样。CLIP模型可以不必在数据上训练，而是直接在基准上进行评估，因此无法以这种方式来“作弊”。

此外，为了验证“作弊的假设”，测量了CLIP在有能力“研究” ImageNet时性能会如何变化。当线性分类器根据CLIP的特性安装时，线性分类器能够将CLIP在ImageNet测试仪上的准确性提高近10％。但是，在评估“鲁棒性”的性能时，这个分类器在其余7个数据集的评估套件中并没有取得更好的平均表现。

优势

1. CLIP非常高效

CLIP从未经过滤的、变化多端的、极其嘈杂的数据中学习，且希望能够在零样本的情况下使用。从GPT-2和GPT-3中，我们可以知道，基于此类数据训练的模型可以实现出色的零样本性能；但是，这类模型需要大量的训练计算。为了减少所需的计算，我们专注研究算法，以提高我们所使用方法的训练效率。

我们介绍了两种能够节省大量计算的算法。第一个算法是采用对比目标（contrastive objective），将文本与图像连接起来。最初我们探索了一种类似于VirTex的图像到文本的方法，但这种方法在拓展以实现最先进的性能时遇到了困难。在一些小型与中型实验中，我们发现CLIP所使用的对比目标在零样本ImageNet分类中的效率提高了4到10倍。第二个算法是采用Vision Transformer，这个算法使我们的计算效率比在标准ResNet上提高了3倍。最后，性能最好的CLIP模型与现有的大规模图像模型相似，在256个GPU上训练了2周。

我们最初是尝试训练图像到字幕的语言模型，但发现这种方法在零样本迁移方面遇到了困难。在16 GPU的日实验中，一个语言在训练了4亿张图像后，在ImageNet上仅达到16％的准确性。CLIP的效率更高，且以大约快10倍的速度达到了相同的准确度。

2. CLIP灵活且通用

由于CLIP模型可以直接从自然语言中学习许多视觉概念，因此它们比现有的ImageNet模型更加灵活与通用。我们发现，CLIP模型能够在零样本下执行许多不同的任务。为了验证这一点，我们在30多个数据集上测量了CLIP的零样本性能，任务包括细粒度物体分类，地理定位，视频中的动作识别和OCR等。其中，学习OCR时，CLIP取得了在标准ImageNet模型中所无法实现的令人兴奋的效果。比如，我们对每个零样本分类器的随机非樱桃采摘预测进行了可视化。

这一发现也反映在使用线性探测学习评估的标准表示中。我们测试了26个不同的迁移数据集，其中最佳的CLIP模型在20个数据集上的表现都比最佳的公开ImageNet模型（Noisy Student EfficientNet-L2）出色。

在27个测试任务的数据集中，测试任务包括细粒度物体分类，OCR，视频活动识别以及地理定位，我们发现CLIP模型学会了使用效果更广泛的图像表示。与先前的10种方法相比，CLIP模型的计算效率也更高。

局限性

尽管CLIP在识别常见物体上的表现良好，但在一些更抽象或系统的任务（例如计算图像中的物体数量）和更复杂的任务（例如预测照片中距离最近的汽车有多近）上却遇到了困难。在这两个数据集上，零样本CLIP仅仅比随机猜测要好一点点。与其他模型相比，在非常细粒度分类的任务上，例如区分汽车模型、飞机型号或花卉种类时，零样本CLIP的表现也不好。

对于不包含在其预训练数据集内的图像，CLIP进行泛化的能力也很差。例如，尽管CLIP学习了功能强大的OCR系统，但从MNIST数据集的手写数字上进行评估时，零样本CLIP只能达到88％的准确度，远远低于人类在数据集中的99.75％精确度。最后，我们观察到，CLIP的零样本分类器对单词构造或短语构造比较敏感，有时还需要试验和错误“提示引擎”才能表现良好。

更广的影响

CLIP允许人们设计自己的分类器，且无需使用任务特定的训练数据。设计分类的方式会严重影响模型的性能和模型的偏差。例如，我们发现，如果给定一组标签，其中包括Fairface种族标签和少数令人讨厌的术语，例如“犯罪”，“动物”等，那么该模型很可能将大约32.3%的年龄为0至20岁的人的图像化为糟糕的类别。但是，当我们添加“儿童”这一类别时，分类比率将下降到大约8.7％。

此外，由于CLIP不需要任务特定的训练数据，因此它可以更轻松地解锁某些任务。一些任务可能会增加隐私或监视相关的风险，因此我们通过研究CLIP在名人识别方面的表现来探索这一担忧。对100个名人图像进行识别时，CLIP实际分类的准确率最高为59.2%，对1000个名人进行识别时，准确率最高为43.3％。值得注意的是，尽管通过任务不可知的预训练可以达到这些效果，但与广泛使用的生产级别模型相比，该性能并不具有竞争力。

结论

借助CLIP，我们测试了互联网的自然语言上与任务无关的预训练（这种预训练为NLP的最新突破提供了动力）是否可以用来改善其他领域的深度学习性能。目前，CLIP应用于计算机视觉所取得的效果令我们非常兴奋。像GPT家族一样，CLIP在预训练期间学习了我们通过零样本迁移所展示的各种任务。CLIP在ImageNet上的表现也令人惊喜，其中零样本评估展示了CLIP模型的强大功能。

原文链接：

https://openai.com/blog/clip/

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