Flamingo论文介绍：把视觉特征向语言模型看齐

今天介绍一篇经典的多模态论文，来自NeurIPS 2022的《Flamingo: a Visual Language Model for Few-Shot Learning》 ，论文地址：https://arxiv.org/pdf/2103.00020

一、Motivate

论文旨在桥接预训练好的视觉模型和语言模型，在不改变视觉模型和语言模型的基础上，做好两种模态模型的融合。简单来说这是一篇粘模型的工作，主要思想是将视觉模型的编码token向语言模型方向转化，使得语言模型能够直接利用视觉的token。

二、Method

Flamingo设计了两个模块达到多模态对齐， 一是 Perceiver Resampler 模块，这个模块将任意个数的输入的视觉（视频/图像）特征转换为固定个数的视觉tokens(64个)；二是 Gated XATTN-DENSE 模块，将 Perceiver Resampler 输出的视觉 tokens，与新插入到 LM 中的层计算交叉注意力，从而将视觉信息注入到 LM 的生成过程中。过程中使用一个tanh做门控，使得融合更平滑缓慢。

三、模块细节：Perceiver Resampler 模块和Gated XATTN-DENSE 模块

3.1 Perceiver Resampler 模块（感知重采样器）

输入可以是图像也可以是视频，视频可以理解为多个帧的图像，在输入时，在时间维度上进行展开即可。以图像为例，输入图像后，通过一个视觉编码器（ResNet/NFNet/ViT）进行编码得到特征向量，展平，然后和64个可学习的token做交叉注意力，KV来自于视觉特征，Q来自于这64个可学习token（论文中叫做Learned latent queries），再经过多层 Attention + FFW 处理，这样这64个queries就能学习到来自视觉的特征信息，作为视觉表征。这里的 queries 就有点类似于 ViT 中的 cls token。
视频过程可以理解为下图，其实就是把视频在时间维度上展开之后再铺平，后面的操作和图片一样。不管是视频还是图片，Learned latent queries的大小不会发生改变，都是64。

3.2 Gated XATTN-DENSE 模块（门控注意力模块）

Flamingo 将固定长度的视觉 query 注入到语言模型的方法称为 Gated xattn dense，其详细结构示意图及伪代码如下图所示。具体来说，在预训练好的 LM 的各层交替地插入一些随机初始化的交叉注意力层。所谓 gated门控，在每一新插入的层之后的残差链接之前添加一个 tanh gating，即 tanh(α) ，其中 α 是一个可学习的标量值，初始值为 0，从而保证初始化时的输出与原 LM 一致。

四、数据格式

Flamingo 的训练数据有三类：**图文交错数据集、图像文本对数据集和视频文本对数据集。**其中图文交错数据集是 Flamingo 数据的重点，其多模态 in-context learning (few-shot learning) 的能力可以说主要就是来自图文交错数据。作者收集了一个大规模图文交错数据集 M3W，通过解析 HTML 获取并标记图片在文本中的位置。

五、效果

可以通过论文中的示例图看到Flamingo的效果还是非常炸裂的，在多项任务上都有惊人的表现。当然Flaminggo也有一些待改进的地方，比如，Flamingo的输出只是单模态的文本。