文献阅读：Image as a Foreign Language: BEIT Pretraining for All Vision and Vision-Language Tasks

Posted 2022-11-18 Espresso Macchiato

• 文献阅读：Image as a Foreign Language: BEIT Pretraining for All Vision and Vision-Language Tasks
  • 1. 内容简介
  • 2. 模型结构
    • 1. 数据处理
    • 2. 模型结构设计
    • 3. 模型训练
  • 3. 实验结果
    • 1. 图文联合任务
      • 1. Visual Question Answering (VQA)
      • 2. Visual Reasoning
      • 3. Image Captioning
      • 4. Image-Text Retrieval
    • 2. 纯图像任务
      • 1. Object Dectection & Instance Segmentation
      • 2. Semantic Segmentation
      • 3. Image Classification
  • 4. 总结 & 思考
  • 5. 参考链接

• 文献链接：https://arxiv.org/abs/2208.10442v1

1. 内容简介

这篇文章算是我司今年发表的一篇颇有影响力的文章了，连不做cv的我都有所耳闻，毕竟刷指标刷的委实是有点厉害，简直堪比18年bert刚出来时候的状况，所以就来跟风看一下这篇文章，看看他到底是怎么做的，然后能不能在nlp还有推荐领域给一些参考思路。

具体而言，这篇文章提出了一个Beit3模型，其模型的本身其实本质上还是一个Transformer的架构，和近年来非常流行的将transformer引入到cv领域的思路是一脉相承的，倒是没啥特别创新的思路，所以一开始也没有非常的get这个Beit3模型怎么就突然获得了如此牛逼的结果。

不过事实证明还是跨领域对领域内技术背景的了解不够深，参考了下面的参考链接1之后才算是真的搞明白了文章中的优化思路的脉络。

具体而言，Beit3模型的核心点包括以下三点：

1. 在transformer的基础上引入MLM预训练，这个思路似乎在前作Beit当中就已经有了，这里算是继承了前作的优化思路；
2. 将图片信息视为文本，这种处理方式对于图片多少有些粗暴，但是好处在于说是统一了文本和图片的处理方式，从而避开了VLMO那种分阶段训练的方式，训练上更加优雅；
3. 扩展了模型规模，这个主要好像是借鉴了我司之前在DeepNet当中的工作，使得模型可以更大，而众所周知，大模型如果可以得到充分的训练，往往就能够获得更好的效果表达。

我们给出文中给出的这张颇为震撼的结果图如下：

下面，我们来具体看看模型的结构细节以及其在实验上的效果。

2. 模型结构

首先，我们来看一下Beit模型的具体模型结构。

这部分事实上又主要包含以下几个部分：

1. 图片信息作为类文本的处理方法；
2. 一体化的模型结构设计；
3. 模型预训练方法；

下面，我们分别来考察一下这些内容。

1. 数据处理

首先，我们来看一下输入数据的处理，其实主要就是图片信息的处理上面。

Beit3模型作为要给Multiway Transformer，一个重要的特征就在于说模型对于图片和文本信息的处理一致性，因此文本与图片的数据处理之后要求为相同的格式。

对于文本的处理，事实上就是常规的文本处理方法，用一个分词器（这里使用sentence piece）将文本分为tokens，然后用一个embedding layer映射为一个embedding的序列。

但是，对于图片的处理，这里多多少少会有一点区别，毕竟图片是一个二维的信息载体，要强硬的处理成一维数据多多少少会有一点问题，但是也不是完全不行，这里的处理方法还是基本的分块强行构成序列，将$224\times 224$清晰度的图片拆分为$14\times 14$的patch，然后通过patch的embedding映射构成sequence。

当然，这里的position embedding应该会需要多少变得特殊一些，这里得去看看Beit那篇文章或者直接考察一下源码，这里暂时还没有深入地去看，也只是个人的感觉而已。

不过言归正传，通过上述方式，我们就可以统一的将文本和图片处理为完全相同的数据输入格式，后面就可以对其使用相同的模型进行处理了。

2. 模型结构设计

然后，到了模型的细节处理上面，其实本质上还是transformer那一套，就是标准的self-attention加上ffn结构，不过不同的是，模型对于文本和图片，还是准备了不同的ffn层结构，具体可以参考下图：

可以看到，本质上模型的输入还是一个self-attention + ffn layer的设计，不同的是，ffn层的选择对于不同的层以及不同的输入会有所区分，V-FFN用于处理图片信息，L-FFN用于处理文本信息，而VL-FFN用于处理两者的联合信息。文中提到在最上方的三层会使用VL-FFN，而对于下方的网络，则会一起使用V-FFN和L-FFN，具体的网络设计可以参考下图：

对应的模型参数以及训练数据可以参考下表：

不过需要提一嘴的是，这里为了将模型做大，也就是文中提到的scale-up，Beit3优化了参数的初始化过程。具体而言，就是参考了DeepNet的参数初始化方法，这部分内容之前我们其实也写了篇博客（文献阅读：DeepNet: Scaling Transformers to 1,000 Layers）对其进行了整理，所以这里就不具体展开了。

3. 模型训练

最后，我们来看一下模型训练的细节。

其实这部分就是一个比较标准的MLM的模式，随机mask掉15%的文本token和40%的图片patch，然后让模型进行完形填空反向预测这部分内容即可。

看下述参考链接1中提到的，似乎在前作Beit当中就已经使用了，然后在VLMO系列模型当中也用到了，只不过他们更多的是分阶段的训练，所以感觉其实也不是什么新方法？

当然，这个因为我之前没怎么做过CV方向的东西，所以就真不太了解了，但是从NLP角度来说，MLM感觉近些年来实在谈不上是什么特别推成出新的方法了。

3. 实验结果

下面，在完成了模型的介绍之后，我们稍微show一下文中展示的Beit3模型在各个任务当中的效果。

1. 图文联合任务

1. Visual Question Answering (VQA)

这个任务是说给定一张图片和一个问题，然后按照图片信息回答问题。

不过问题对应的答案候选集somehow是有限的，因此论文中将其视为了一个多类别的分类问题。具体而言，论文中将图片与问题文本的embedding concat起来之后输入到一个多类别的预测层，然后输出最可能的回答。

论文是在VQAv2数据集上进行的这部分实验的考察，其给出的具体实验结果如下：

2. Visual Reasoning

这个任务同样是给定一张图片和一段文本，不过这里的文本是一段描述，然后要做的就是判断这段描述文本与图片是否相符，因此就是一个是非判断题。由是我们的处理就可以和上面一模一样。

文中采用了NLVR2这个数据集，其结果可以参考上述表4中的第二大列部分。

3. Image Captioning

Image Captioning任务较之上述两者多少显得要难一些，因为需要根据给定的图片生成一段文本，因此上述分类问题的处理方式并不适用，但也不是特别难以修改，只要将其修改为一个unilm，然后对文本进行逐字生成即可。

论文中在COCO数据集上进行了实验，实验结果同样展示在了上面的表4当中。具体就是上述表4中的第三大列。

可以看到，依然基本还是屠榜的效果。

4. Image-Text Retrieval

这个任务其实就是以图搜文或者反过来以文搜图，所以就像推荐任务差不多，用一个双塔分别对文本和图片进行编码，然后计算相似度即可。

文章中在COCO和Flickr数据集上进行了实验，具体结果如下：

更进一步的，文章中还直接在Flickr数据集上进行了zero-shot的考察，同样得到了非常理解的结果。

2. 纯图像任务

1. Object Dectection & Instance Segmentation

纯图像任务方面文中考察的第一个任务就是目标检测，文中在COCO数据集上进行了实验，得到结果如下：

2. Semantic Segmentation

Semantic Segmentation任务就是一个像素级别的实体识别任务，给定150种实体类别，然后对没一个像素识别是否属于某一个类别。

文中在ADE20K数据集上进行了实验，得到结果如下：

可以看到，也是SOTA的结果。

3. Image Classification

Image Classification任务就是对图片进行一下分类，原则上其实只要将其作为一个分类问题即可。

不过文中对于这个问题的处理多少特殊了一点，将其视为一个匹配检索问题，就是对每个类别也进行一个编码，然后计算图片和类别的相似度。

文章在ImageNet数据集下继续了考察，其实验结果如下：

4. 总结 & 思考

综上，这篇文章最核心的还是说对于CV领域内的模型预训练方式进行了优化，优化了图片的编码方式，然后引入了DeepNet的初始化方法从而增强了模型scale-up的能力。在此基础上文中训练得到的Beit3模型基本完成了在所有任务上的屠榜成就。

不过，again，由于我之前没做过CV相关的工作，所以对这个结果其实也就是看看过去，没啥实际的体感。但即便如此，考虑到后续我自己的工作可能会涉及到多模态，这篇文章的结果感觉还是很有必要了解一下的，至少要用的时候也得知道有这么个玩意不是……

5. 参考链接

1. https://www.zhihu.com/question/549621097
2. https://zhuanlan.zhihu.com/p/561301594
3. https://www.mathworks.com/solutions/image-video-processing/semantic-segmentation.