一文了解prompt learning在计算机视觉领域进展
极市导读
本文是对prompt Learning在CV领域的文献总结，读者阅读完全文会对prompt learning在CV的各种用法有所了解，希望能对大家未来研究工作有所启发。 >>加入极市CV技术交流群，走在计算机视觉的最前沿
CLIP（Learning Transferable Visual Models From Natural Language Supervision）
CLIP是OpenAI的一个非常经典的工作，从网上收集了4亿个图片文本对用于训练，最后进行zero-shot transfer到下游任务达到了非常好的效果，主要流程如下：
在训练阶段，文本会通过Text Encoder（Transformer）编码成一些文本Embedding向量，图像会通过Image Encoder（ResNet50或VIT）编码成一些图像Embedding向量，然后将文本Embedding和图像Embedding归一化后通过点积计算出一个相似度矩阵，这里值越接近于1代表文本Embedding和图像Embedding越相似，即这个文本和图像是配对的。我们的目标是让这个相似度矩阵对角线趋向于1，其他趋向于0（对角线代表图像和文本配对）。
测试zero-shot阶段，会将一张没见过的图片通过image Encoder得到图像embedding，然后将所有可能的类别，通过构造a photo of a {object}的文本标签，将所有类别填入object处，通过text encoder，得到所有类别对应的文本embedding，将文本embedding和图像embedding归一化后进行点积，选择点积最大的一个文本-图像对，该类别则为预测类别。
CoOp: Learning to Prompt for Vision-Language Models
CoOp的motivation如上图所示：CLIP是固定prompt：a photo of a [class]，但是不同prompt的影响影响很大，比如从图a可以看出，少了一个a，acc直接低了6个点。每次根据人工设计prompt太麻烦，设计的还不一定好，那怎么办呢？熟悉nlp的prompt的小伙伴应该脱口而出了，应该像Prefix Tuning一样，学一个连续的prompt不就完事了吗？CoOp就是这么做的。
CoOp从原来a photo fo a [class]转换成 这样可学习的连续的prompt，这样就不需要人工去设计prompt了。这里的prompt分为unified和class-specific两种，unified context即对所有类别都是学一组一样的prompt参数，class-specific context指的是对每一个类别学一个单独的prompt 参数，事实证明后者对一些细粒度的任务效果比较好。（看到这里的小伙伴可能有一个疑惑，还有instance-specific context这种更细粒度的可能，为啥这里没提呢？因为当时作者没想好怎么设计，想好之后又写了一篇CoCoOp）另外这里prompt里的[CLASS]不一定要放最后，也可以放句中，那这样学习明显更加灵活。
在实验这有一个有意思的发现：nlp领域有一篇叫OptiPrompt的文献，提出连续的prompt不一定要随机初始化，可以用人工设计的prompt的embedding初始化来引入专家经验，CoOp做实验发现就算prompt参数是随机初始化的也能到达一样的效果。
CoCoOp: Conditional Prompt Learning for Vision-Language Models
CoCoOp的motivation如上图所示：作者发现他们之前提的CoOp在训练过类别的数据集上表现的很好，但是面对新的类别，能力却很差，从80的acc降到65，而原版的CLIP却保持了还不错的泛化能力，引起了作者思考，作者认为这是因为CoOp在下游任务上训练时容易overfit base classes上。我认为一这个本质原因一方面因为用的prompt是unified或者class-specific，而不是instance-specific context，另一方面我认为用unified也可以，但是要有足够的数据学到真正的unified的特征。
CoCoOp的做法很简单，他在CoOp的基础上，引入了一个轻量的网络Meta-Net（仅仅是Linear-ReLU-Linear），将image Encoder的输出通过Meta-Net得到一个M维的向量，将这M维的向量直接加在CoOp上的每一个prompt token上，通过这种方式做到instance-specific context。这种方式其实就是把每个图片的特征引入了prompt的构造里，所以CoCoOp的第一个Co就是指这种Conditional。
DenseCLIP: Language-Guided Dense Prediction with Context-Aware Prompting
由于这一系列的介绍主要围绕prompt进行，所以这篇文献也主要讲讲prompt设计那部分：
作者提出了prompt构造的2种方式，一种叫Pre-model prompting，即将图像通过image encoder之后得到图像embedding，这个embedding将作为Transformer的k和v输入进一个Decoder里面生成一个prompt的模板。这种方式和CoCoOp就挺像的，只不过CoCoOp是用一个很简单的backbone生成一个M维的token，再把这个token加在原来CoOp上生成的每一个prompt向量，这里是直接用一个更复杂的backbone直接生成一个prompt；第二种是Post-model prompting，即将图像通过image encoder之后得到图像embedding，然后作为k和v输入进decoder，这里decoder的query是CoOp生成模板加上[class]后的文本通过text encoder的文本embedding，通过decoder生成一个 和文本向量做相加来更新文本特征，经过实验发现第二种方式更好。从直观上也很好理解，因为这样的prompt image encoder和text encoder都参与了。
Unifying Vision-and-Language Tasks via Text Generation
现在vision-language learning的方法都是task-specific的，即要为每个下游任务特别设计，本文利用prompt设计来兼容7个下游任务的学习，如上图所示，对不同的下游任务只需要加上不同的文本前缀即可，比如一个视觉问答的任务就加上vqa，对visual grounding的任务就加上visual grounding即可。具体模型如下所示：
整体流程是一个encoder-docoder的结构，encoder部分将prefix prompt、text embedding、 visual embedding作为输入，其中visual embedding由faster-rcnn提取的ROl features、Box coordinates, image ides, region ids构成，把encoder输出的结果传递给一个自回归的decoder得到模型的输出。不同下有任务模板如下所示：
MAnTiS:Multimodal Conditionality for Natural Language Generation
这篇文章把prompt用在了商品的文案生成上，首先用ResNet-152作为image encoder提取视觉特征，提取出的视觉特征会用一个linear layer映射到文本embedding的维度；商品名称和我们希望生成的文案会通过LM Token Embedding Layer提取文本特征，这里用的GPT-2。不同数据之间会用SEP分开，然后输入进一个decoder生成文案。效果如下：
MAPLE: MULTI-MODAL PROMPT LEARNING
这篇文章的出发点很有新意，一直以来我们做prompt都是在图片或者文本一个模态做prompt，这篇文章觉得只在其中一个模态（分支）做prompt只能达到次优的性能，所以他们提出应该在每一个模态都应该做prompt，示意图如上所示。
模型架构图如上所示：首先文本端除了文本的输入embedding，会拼接一些文本prompt向量，图像端同样除了图像的embedding输入，也会拼接一些图像prompt向量。这里要注意，这两个prompt向量是有交互的，因为作者认为为了让prompt发挥拉近不同模态距离的作用，不同模态的prompt应该要深层交互。具体交互的做法就是将文本prompt的embedding，通过一个linear层 映射到图像embedding维度，转换成图像prompt向量，但这个交互只会发生在前J层，后面J-K层就不需要交互了，因为作者认为经过前面的交互，后面层的特征已经不是各自独立模态的特征了，自然不需要交互了。
CPT:Colorful Prompt Tuning for Pre-Training Vision-Language Models
这篇文章是prompt用在image grounding的工作，我认为他的出发点十分值得思考：
一般用Pre-Training Vision-Language Models做image grounding的做法如上图b所示，他们的做法是去随机mask一些词然后通过预测这个随机的MASK来完成预训练的任务。在预测即下游任务时，对没有mask的token做语义分类，来完成grounding的任务。那这样就会存在一个gap：因为你预训练的时候是去预测一些mask的token，而到下游任务时预测的token是非mask，那这样上下游的迁移就有可能会有问题，那为什么nlp不会有问题呢？我认为是对于文字来说，理解哪里的文字理解的方式是一样的，但是对于视觉是不一样的，比如我学会了人在“看”马这个看的概念，那和哪个是人，哪个是马来说这两个问题来说，我认为学会人在“看”马是一个不同等级的概念（可能是更高的），那这么来做效果就不一定会好了。所以CPT把问题转换为颜色预测的任务：看一些被涂上不同颜色的图片，然后把文本当作问题，最后回答什么颜色的图片是问题的答案并填空，再换句话说，原来想问你在一张人在看马的图片里，哪个是人，现在直接问你，什么颜色的人在看马，因为我们知道哪块被填上了颜色，所以解决了这个问题。
这个方法在zero shot、few shot 场景下取得了非常好的表现，除了image grounding，CPT也提出了别的下游任务建模方式：对目标分类任务，可以建模为红颜色的物体是一个什么，具体如上所示。
Multimodal Few-Shot Learning with Frozen Language Models
这篇文章讲故事的点很有意思，他认为之前对于文本大模型的prompt，都是在前面加上prefix prompt来提示做什么下游任务，然后可能和视觉模型一起微调或者冻住文本大模型来完成。这篇文章认为配对的图像特征就是一种prompt，我们可以利用这个文本配对的图像提取特征作为我们的prompt，具体结构如下所示：
将图像通过一个NF-ResNet50提取特征，然后将一些文本通过一个text embedder提取特征，然后一起输入进一个在大数据集下预训练好的7billion参数的Transformer进行自回归预测完成训练，其中只有vision Encoder是可训练的，其他模块皆冻结。这样prompt的模型可以在很多场景的zero-shot和few-shot达到一个好的效果。其中作者还提到，在面对一个新的下游任务时，我们可以输一些图像文本对让模型学习到新的概念，这样会在下游任务上表现的更好，具体如下所示：
VPT:Visual Prompt Tuning
终于看到一篇不用文本来做视觉prompt的文章了。VPT分为deep和shallow两个版本，如果数据不充裕，就使用shallow版本，如果数据充裕，就使用Deep版本。我们可以看到VPT真的很简单，shallow版本只需要在第一层输入层之前，引入一些prompt参数，和CLS和其他输入embedding一起拼接起来输入进第一个Transformer的encoder即可。但是如果数据充裕，那自然我们觉得仅仅在输入引入prompt没法很好的利用这么多数据（说白点就是可学习参数少了），所以在每一层Transformer的输入层前都加入一些prompt参数学习。不管是shallow还是deep版本，都只需要学习输入的prompt参数和分类头。这篇文章的做法可以说是mainly-motivated by prefix-tuning/p-tuning的了，所以提示我们可以再找找nlp里work的prompt方法，看看怎么在cv上做work。
公众号后台回复“ECCV2022”获取论文资源分类汇总下载～
“
点击阅读原文进入CV社区
收获更多技术干货
相关内容
微信扫码咨询专知VIP会员