读论文笔记-CoOp：对CLIP的handcrafted改进

读论文笔记-Learning to Prompt for Vision-Language Models

Problems

现有基于prompt engineering的多模态模型在设计合适的prompt时有很大困难，从而设计了一种更简单的方法来制作prompt。

Motivations

prompt engineering虽然促进了视觉表示的学习，实现了zero-shot迁移到其他任务上，但设计合适的prompt耗时费力。
NLP领域提供了用连续提示词来改善离散prompt的方法，但也有无法解释到底学到了什么词的缺陷。

Methods

Key：初始化连续向量建模上下文，并通过大量数据进行学习，实现prompt的自动学习。提出统一上下文unified context和特定类别上下文specific context两种prompt。

unified context的形式 ：
t = $v$ 1 $v$ 2 $v$ 3 . . . $v$ M $C L A S S$ t= $v$ _1 $v$ _2 $v$ _3... $v$ _M $CLASS$ t= $v$ 1 $v$ 2 $v$ 3... $v$ M $CLASS$
$v$ M $v$ _M $v$ M是与词嵌入相同维度的向量，个数M是一个超参数， $C L A S S$ $CLASS$ $CLASS$ 是类别标签对应的词嵌入向量，也可以放在中间。可学习向量和类别对应的词向量是concatenate从而形成提示词t的。
specified context的形式 ：
t = $v$ 1 i $v$ 2 i $v$ 3 i . . . $v$ M i $C L A S S$ t= $v$ _1^i $v$ _2^i $v$ _3^i... $v$ _M^i $CLASS$ t= $v$ 1i $v$ 2i $v$ 3i... $v$ Mi $CLASS$

对于不同的类别所使用的可学习向量都是不同的。

网络结构：和CLIP类似，利用text encoder处理每个类别的prompt t i t_i ti，就是基于一个Transformer的结构，从 $EOS$ token中得到能表示视觉概念的分类权重 g ( t i ) g(t_i) g(ti)。image encoder可以是ResNet或ViT，得到特征f。计算相似度、预测概率：
p ( y = i ∣ x ) = e x p ( c o s ( g ( t i ) , f ) / t ) ∑ j = 1 K e x p ( c o s ( g ( t j ) , f ) / t ) p(y=i|x)=\frac{exp(cos(g(t_i),f)/t)}{\sum_{j=1}^Kexp(cos(g(t_j),f)/t)} p(y=i∣x)=∑j=1Kexp(cos(g(tj),f)/t)exp(cos(g(ti),f)/t)

训练过程：encoders都是冻结参数的，使用的是交叉熵损失函数(是图文对比学习方法，我理解的就是余弦相似度+交叉熵损失=对比学习损失)，反向传播更新context的参数。

Experiments

比较在少样本学习设置下，模型的小样本学习能力 ：
- 数据集：和CLIP一样的1个图像分类数据集，组成了一个综合的benchmark；
- 模型结构：vision encoder用的ResNet50，对上下文使用的是均值为0，标准差为0.02的高斯分布初始化，用SGD优化器，使用余弦退火和warmup的技巧。
- 比较的基线模型：零样本的CLIP和线性探针的CLIP
- 对比角度：（1）与使用handcrafted prompt的模型相比（CLIP），在特定任务、细粒度数据集和场景、行为识别的数据集上有更好的效果，但在pest\food这两个数据上提升不明显且有过拟合倾向（作者认为这是因为有脏数据）；（2）与线性探针CLIP专门对比：大部分都显著好于，在2个细粒度和特定任务上相当，其中CSC方法能完全超越线性探针模型；（3）比较通用类别和特定类别上下文：通用类别更适合对通用物体、场景和行为上的检测，特定类别上下文适合细粒度的数据集且需要更大的训练数据。
在有Domain gap设定下，模型的泛化能力 ：
- 数据集：源域数据是ImageNet，目标域数据是4个风格不同的ImageNet变体；
- 模型结构：vision encoder是ResNet50/101, ViT-B32/16；
- 结果：CoOp能显著提升模型的泛化能力，而线性探针模型不擅长有域迁移domain shift的场景
超参数选择
- 不同上下文长度（M的大小）：更长有更好的效果，当M很大时， $CLASS$ 在中间位置有更好的效果。但性能好会面对鲁棒性下降。
- 不同vision encoders：更好的vision encoders，CoOp效果更好。
- 与Prompt Ensembling对比：设计连续可学习prompt效果更好。
- 与其他微调方法相比：与原始CLIP、使用线性探针（就是一个线性层，这里可以理解成提取CLIP的特征后输入线性层，训练线性层进行分类）、添加image encoder微调、在text encoder后添加变形层微调、在文本输出添加偏置项的方法进行比较，CoOp的优化上下文方法是最好的色；
- 上下文初始化方法：对CoOp上下文随机初始化和使用CLIP的hand-crafted比较，发现效果差不多，都是很好的上下文，不过后续对CoOp上下文通过学习优化会有更好的效果。
- 对上下文的解释：暂时无法给出解释，因为用距离度量向量的语义是不准确的。