多模态对比语言图像预训练CLIP：打破语言与视觉的界限

一种基于多模态（图像、文本）对比训练的神经网络。它可以在给定图像的情况下，使用自然语言来预测最相关的文本片段，而无需为特定任务进行优化。CLIP的设计类似于GPT-2和GPT-3，具备出色的零射击能力，可以应用于多种多模态任务。

多模态对比语言图像预训练（CLIP）是一种神经网络模型，它通过多模态对比训练来学习图像和文本之间的关联。与传统的单模态预训练模型不同，CLIP能够同时处理图像和文本，从而更好地理解它们之间的语义关系。
CLIP的设计类似于GPT-2和GPT-3，是一种自回归语言模型。它通过对比学习来学习图像和文本之间的映射关系。在训练过程中，CLIP会接收一张图像和一个与之相关的文本片段，并学习如何将这两个模态的信息进行关联。通过这种方式，CLIP可以学会将图像与相应的文本片段进行匹配，从而在给定图像的情况下，使用自然语言来预测最相关的文本片段。
由于CLIP采用了对比学习的方法，它可以在无需为特定任务进行优化的前提下，表现出色地完成多种多模态任务。这使得CLIP成为了一种通用的多模态预训练模型，可以广泛应用于图像标注、视觉问答、图像生成等领域。

CLIP(对比语言图像预训练)是一种基于多种(图像、文本)对进行训练的神经网络。在给定图像的情况下，它可以用自然语言来预测最相关的文本片段，而无需直接针对任务进行优化，类似于GPT-2和gpt - 3的零射击能力。我们发现CLIP在不使用任何原始的1.28M标记示例的情况下，在ImageNet“零射击”上匹配原始ResNet50的性能，克服了计算机视觉中的几个主要挑战。

1.安装

ftfy
regex
tqdm
torch
torchvision

$ conda install --yes -c pytorch pytorch=1.7.1 torchvision cudatoolkit=11.0
$ pip install ftfy regex tqdm
$ pip install git+https://github.com/openai/CLIP.git

Replace cudatoolkit=11.0 above with the appropriate CUDA version on your machine or cpuonly when installing on a machine without a GPU.

import torch
import clip
from PIL import Image

device = "cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu"
model, preprocess = clip.load("ViT-B/32", device=device)

image = preprocess(Image.open("CLIP.png")).unsqueeze(0).to(device)
text = clip.tokenize(["a diagram", "a dog", "a cat"]).to(device)

with torch.no_grad():
    image_features = model.encode_image(image)
    text_features = model.encode_text(text)
    
    logits_per_image, logits_per_text = model(image, text)
    probs = logits_per_image.softmax(dim=-1).cpu().numpy()

print("Label probs:", probs)  # prints: [[0.9927937  0.00421068 0.00299572]]

The CLIP module clip provides the following methods:

clip.available_models()

Returns the names of the available CLIP models.

clip.load(name, device=..., jit=False)

返回模型和模型所需的TorchVision转换，由' clip.available_models() '返回的模型名指定。它将根据需要下载模型。' name '参数也可以是本地检查点的路径。

可以选择性地指定运行模型的设备，默认是使用第一个CUDA设备(如果有的话)，否则使用CPU。当' jit '为' False '时，将加载模型的非jit版本。

clip.tokenize(text: Union[str, List[str]], context_length=77)

返回一个LongTensor，其中包含给定文本输入的标记化序列。这可以用作模型的输入

' clip.load() '返回的模型支持以下方法:

model.encode_image(image: Tensor)

给定一批图像，返回由CLIP模型的视觉部分编码的图像特征。

model.encode_text(text: Tensor)

给定一批文本tokens，返回由CLIP模型的语言部分编码的文本特征。

model(image: Tensor, text: Tensor)

给定一批图像和一批文本标记，返回两个张量，包含对应于每个图像和文本输入的logit分数。其值是对应图像和文本特征之间的相似度的余弦值，乘以100。

2.案例介绍

2.1 零样本能力

下面的代码使用CLIP执行零样本预测，如本文附录B所示。本例从CIFAR-100数据集获取图像，并在数据集的100个文本标签中预测最可能的标签。

import os
import clip
import torch
from torchvision.datasets import CIFAR100

#Load the model
device = "cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu"
model, preprocess = clip.load('ViT-B/32', device)

#Download the dataset
cifar100 = CIFAR100(root=os.path.expanduser("~/.cache"), download=True, train=False)

#Prepare the inputs
image, class_id = cifar100[3637]
image_input = preprocess(image).unsqueeze(0).to(device)
text_inputs = torch.cat([clip.tokenize(f"a photo of a {c}") for c in cifar100.classes]).to(device)

#Calculate features
with torch.no_grad():
    image_features = model.encode_image(image_input)
    text_features = model.encode_text(text_inputs)

#Pick the top 5 most similar labels for the image
image_features /= image_features.norm(dim=-1, keepdim=True)
text_features /= text_features.norm(dim=-1, keepdim=True)
similarity = (100.0 * image_features @ text_features.T).softmax(dim=-1)
values, indices = similarity[0].topk(5)

#Print the result
print("\nTop predictions:\n")
for value, index in zip(values, indices):
    print(f"{cifar100.classes[index]:>16s}: {100 * value.item():.2f}%")

输出将如下所示(具体数字可能因计算设备的不同而略有不同):

Top predictions:

           snake: 65.31%
          turtle: 12.29%
    sweet_pepper: 3.83%
          lizard: 1.88%
       crocodile: 1.75%

Note that this example uses the encode_image() and encode_text() methods that return the encoded features of given inputs.

2.2 Linear-probe 评估

The example below uses scikit-learn to perform logistic regression on image features.

import os
import clip
import torch

import numpy as np
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision.datasets import CIFAR100
from tqdm import tqdm

#Load the model
device = "cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu"
model, preprocess = clip.load('ViT-B/32', device)

#Load the dataset
root = os.path.expanduser("~/.cache")
train = CIFAR100(root, download=True, train=True, transform=preprocess)
test = CIFAR100(root, download=True, train=False, transform=preprocess)


def get_features(dataset):
    all_features = []
    all_labels = []
    
    with torch.no_grad():
        for images, labels in tqdm(DataLoader(dataset, batch_size=100)):
            features = model.encode_image(images.to(device))

            all_features.append(features)
            all_labels.append(labels)

    return torch.cat(all_features).cpu().numpy(), torch.cat(all_labels).cpu().numpy()

#Calculate the image features
train_features, train_labels = get_features(train)
test_features, test_labels = get_features(test)

#Perform logistic regression
classifier = LogisticRegression(random_state=0, C=0.316, max_iter=1000, verbose=1)
classifier.fit(train_features, train_labels)

#Evaluate using the logistic regression classifier
predictions = classifier.predict(test_features)
accuracy = np.mean((test_labels == predictions).astype(float)) * 100.
print(f"Accuracy = {accuracy:.3f}")

Note that the C value should be determined via a hyperparameter sweep using a validation split.

3.更多资料参考：

OpenCLIP: includes larger and independently trained CLIP models up to ViT-G/14
Hugging Face implementation of CLIP: for easier integration with the HF ecosystem

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