【多模态大模型】系列1：Transformer Encoder——ViLT、ALBEF、VLMO

1 ViLT

ViLT: Vision-and-Language Transformer Without Convolution or Region Supervision

图文多模态任务，关键是提取视觉特征和文本特征，然后对齐。在之前的多模态研究工作中，视觉侧通常需要一个目标检测器来确定图像中物体所在的区域，再提取各区域的特征。ViT 将 Transformer 迁移到视觉领域之后，人们意识到，直接使用 patch projection 来处理图像输入也是可行的。由此，ViLT 首次使用 patch projcetion 来直接提取图像特征，摆脱了笨重的目标检测器。

ViLT 引言部分的示意图（如下图所示）将当时已有的多模态工作归纳地很清晰，并突出了 ViLT 减轻视觉侧推理负担的优势。VE（视觉嵌入）、TE（文本嵌入）和 MI（模态交互）分别表示不同的网络组件，他们在途中模块的大小表示对应网络的复杂度。在图 1 所示的四种结构中，(a)、(b)、© 三种方法中，由于使用目标检测器确定图像的区域，因此视觉端（Visual Embed）都是一个复杂的网络。在 (d) 中，也就是 ViLT 中，使用简单的线性映射，实现了视觉端处理。ViLT 将网络的大部分复杂度放在多模态任务中重要的模态交互部分。

下图展示了 ViLT 的模型结构。模型结构上，ViLT 首先分别使用词嵌入和可学习的线性映射来提取文本和视觉嵌入，然后通过一个 Transformer 来进行特征交互。损失函数上，ViLT 共使用了三个损失，分别是图文匹配 ITM、掩膜语言模型 MLM 和文本图像块对齐 WPA。ITM 判断输入的文本与图像是否匹配，本质上是一个二分类问题。MLM 即 BERT 提出的”完形填空“，预测输入的文本中被挖去的单词。WPA 则是要对齐输入文本与图像块。

ViLT 仍旧存在两个局限：

• 虽然 ViLT 通过改用线性映射，降低了视觉端嵌入网络的复杂度。但是性能有所下降，综合当时的多模态研究工作来看，视觉端的嵌入网络相较于文本端，的确需要更复杂一些。原因是文本端的 tokenizer 已经有一定语义理解能力了，而视觉端的 patch embedding 是随机初始化的。
• 虽然 ViLT 的推理很快，但是训练时间并不短。

可以考虑一些常用的loss: ，下面前三个loss是比较好用的。

• Image text contrastive loss（CLIP模型训练方式）
• Image text matching loss（BERT训练方式）
• Masked language modelling loss（ViLBERT和ViLT使用过）
• Word patch alignment (这个在vilt中用到，但是计算很慢)

2 ALBEF

Align before Fuse: Vision and Language Representation Learning with Momentum Distillation

• 贡献1（出发点）：在multimodal interaction之前我们要align好text and image token，以便于multimodal encoder学习。ALBEF 提出在进行多模态交互之前，先通过一个对比损失（其实就是 CLIP 中的 ITC 损失）来对齐图像和文本数据。
• 贡献2：不同的损失函数其实是在为同一个图像文本对，生成不同的视角，变相地做data augmentation，达到semantic preserving的目的。

模型结构如下：

在这张图中，满足了我们两个假设，文本编码器比图像编码器小且模态融合也大。同时也用了我们提到的三个loss去训练模型：Image-text contrastive loss(ITC)、Image text matching loss(ITM)和Masked language modelling loss(MLM)。

目标函数：
通过对比学习可知，只要定义一个正样本对和多个负样本对，就可以进行对比了。我们希望正样本对之间的距离越来越近，正负样本对之间的距离越来越远。首先要做的就是去出去这种全局特征，在特征之间去做embedding space上的拉近和拉远。

• ITC loss, image-text contrastive loss。图像和文本分别通过encoder tokenise, CLS token是一个全局特征（图中绿色方块旁边的黄色方块）， down sample和normalisation(786x1 => 256x1)，然后进行正负样本的对比学习（预先存了很65536个负样本q，没有gradient，由Momentum Model产生），这一步就是align。
• ITM loss, image text matching loss。在multimodal encoder的输出之后加一个二分类头(FC层)，这里很特别的是，每个batch里我拿一个图片和batch里除了配对文本之外的所有的文本做cosine similarity (借助之前ITC的那个模块)，挑一个相似度最高的作为负样本 (hard negative) 来训练，来加大难度。
• MLM, masked language modeling。类似BERT的完形填空，mask一个词语，去预测mask的词语，但是融合了图像的信息。

其他细节：

• 上图右侧的 Momentum Model，就是用于进行自训练学习的动量模型，根据主模型进行动量更新，类似 MoCo 。
• ITM 损失需要模型判断出输入图像和文本是否匹配，即一个二分类问题。直接与当前批次中所有的样本进行比对过于简单，对模态交互训练的帮助不大。ALBEF 中通过 ITC 损失计算得到的各样本间的余弦相似度，为 ITM 损失进行难负样本挖掘，取除正样本外相似度最高的作为负样本。
• 在计算 ITC 和 ITM 两种损失时，模型的输入是原始图像和原始文本，而在计算 MLM 损失时，模型的输入则是原始图像和经过 mask 的文本。因此，ALBEF 训练时的每一轮迭代需要经过两次前向传播的过程。多模态学习的方法通常训练时长较长，就是因为需要进行多次前向传播，计算不同的损失。

做动量蒸馏(Momentum Distillation)的动机：从网上爬下来的图像文本对通常weakly-correlated，即文本并没有很好地描述图像，从而产生了noise。这种弱关联的训练样本中可能出现某些负样本的图文匹配程度，比 GT 中正样本的 one-hot 标签的匹配程度更高的情况，不利于 ITC 和 MLM 两种任务的训练。

ALBEF 中除了梯度更新的主模型之外，还有一个动量模型，用于为主模型的训练生成 multi-hot 的伪标签。动量模型通过滑动指数平均(EMA)的方式，根据主模型进行动量更新。这样，除了Ground Truth(GT，真实标签)中的 one-hot 标签，我们就又得到了multi-hot的伪标签(pseudo-targets)，用于 ITC 和 MLM 任务的损失计算。补充一句，对于 ITM 任务，由于其本身就是基于 GT 的二分类任务，并且通过 ITC 中计算的相似度结果进行了难负例挖掘，因此无需进行动量计算。

ALBEF中为MLM（第一行）和ITC（第二行）生成的伪标签示例如下图所示：

3 VLMO

VLMo Unified Vision-Language Pre-Training with Mixture-of-Modality-Experts

贡献1：dual-encoder (双塔模型，如CLIP) 解决了检索问题，而fusion encoder，也叫单塔模型，解决了不同模态之间的交互问题，VLMo就把2种的好处都结合了起来，一个模型，想当双塔和单塔 (论文命名为vision-language expert, language expert, vision expert，其实就是不共享参数的FC层) 用都可以。

贡献2：分阶段模型训练的改进(stage-wise pre-training), 简单来说就是多模态的数据集不够大，那我就先预训练单独的一个模态。

为什么提出MoME（Mixture of Multi Expert）：双编码器模型（dual-encoder）的优点是在进行检索等任务时，可以预先对数据库中的数据进行特征提取，运行效率高。缺点是模态交互部分只有一个简单的余弦相似度的计算，过于简单。在视觉推理等模态交互复杂的任务上表现较差。与之相反的，融合编码器模型（fusion-encoder）的优点是模态交互充分，缺点是无法预先进行特征提取，效率稍差。为了解决这种冲突，VLMo 提出了 MoME（Mixture of Multi Expert），由不同的 “专家” 来处理不同类型（文本/图像）的输入数据。简单来说，就是在每个 Tranformer 块中：自注意力层权重在不同类型输入间共享，而 FFN 层权重则根据输入类型的不同而不同。

VLMo的目标函数和ALBEF一样也是ITC、ITM和MLM。因为在NLP使用Transformer时，数据集越大训练效果越好，在做多模态时也希望如此，但是在当时还没有开源的大规模数据集。曲线救国：所以VLMo的作者想到可以用文本和视觉各自领域的超大规模数据集先分别对 “文本专家” 和 “视觉专家” 进行预训练(stage-wise pre-training)，然后再在多模态数据集上进行预训练。

模型总览图如下所示：

在预训练任务的选择上，VLMo 与 ALBEF 一致，同样使用 ITC、ITM 和 MLM 三种，并且同样借助 ITC 为 ITM 进行hard negtives。在进行不同的任务时，会使用 MoME 结构中不同的 FFN 层参数进行训练：

• ITC：在计算 ITC 损失时，VLMo 的模型是一种 “dual encoder” 模型，以双塔的结构分别对文本和图像进行嵌入。
• ITM、MLM：在计算 ITM、MLM 损失时，VLMo 模型又成了一种 “fusion encoder” 模型，分别提取图像文本的特征之后，再用 F FF 层 Transformer Block 进行模态融合。

MoME 结构最大的优势就是灵活。在训练时，对应不同的任务时使用不同结构计算损失函数，并更新对应参数。这样的训练有一个缺点是需要做多次模型前向。

VLMO采用了分阶段的训练方式，如下图所示：首先，VLMo 先在单独的图像数据上训练自注意力层和视觉 FFN ；然后，在单独的文本数据上训练文本 FFN ；最后，在多模态数据上训练自注意力层和三种 FFN 专家。这里特别有趣的点是在单独的文本数据上进行训练时，自注意力层是冻结的。也就是说，通过图像数据训练出的自注意力层，在文本数据上甚至连微调都不需要，就能工作得很好。