图灵奖大佬+谷歌团队，为通用人工智能背书！CV 任务也能用 LM 建模！

文 | ZenMoore
编 | 小轶

图灵奖大佬 Geoffrey Hinton 的团队和 Google Brain 团队近日发布新工作 Pix2seq，将 CV 经典任务 目标检测 转换为了语言模型的下游任务。

这就很有意思了朋友们！因为这是一个很一般化的范式！也就是说，不光是目标检测，我们 可以把语言作为中介接口，尝试将一切视觉上的任务映射为序列任务。这颇有点通用人工智能的意思。

所以，是不是万物皆可 LM 的时代真的要到来了？

论文标题:
Pix2seq: A Language Modeling Framework for Object Detection

论文链接:
https://arxiv.org/abs/2109.10852

模型框架

整个模型由四个部分组成，分别是图像数据增强，序列构造和数据增强，模型结构以及损失函数。

▲本文提出的模型

图像数据增强

图像数据增强没什么新奇的，就是为了扩充数据集，可圈可点的是后面几个部分。

序列构造

目标检测的目标一般是通过 Bbox 框和相应的目标类别组成。Bbox 用四个点的坐标组成 , 类别用一个指标变量 来表示。我们希望把这个目标输出转换为像语言一样的离散序列。主要是两个步骤：量化(Quantization) 和 序列化(Serialization)。

量化需要把连续的坐标均等地分为离散的坐标值，用 来表示（整数）。 的选取很讲究，可大可小，不同的大小决定了检测目标的大小尺度。例如， 的图像，最大的 可以是 .  实验表明， 就足矣！这样， 就可以表示成离散的 token. 还剩下一个 , 我们不用管，因为它本来就是离散的。

序列化需要把图像中的所有目标整理到一起。在量化中，我们把一个目标用五个离散的 token 来表示了，在这个步骤中，我们把图像中的多个目标的离散 token 表示按照一定的顺序线性地排列起来。实验证明，随机的排列顺序会取得更好的效果。

模型结构

本文采用的是编码器-解码器的结构，例如 Transformer. 通过自回归的方式生成输出序列。

损失函数

训练的目标非常简单，即语言模型中最普通不过的极大对数似然！四两拨千斤，简洁才是美！

其中， 和 分别是输入序列和目标序列（在一般的语言模型中，二者是相同的）， 是目标序列长度， 是预先指定的第 个 token 的权重（本文都设置成了 1，当然也可以使用其他方式进行设置）， 是给定的图像。

在 inference 阶段，我们根据条件概率对下一时刻的 token 进行采样，可以选择似然最大的 token, 但更好的方式是使用 Nucleus 采样，以提高召回率。最后，当得到 EOS 这个 token 的时候，结束生成，经过量化的逆操作得到 Bbox 和 Class.

序列数据增强

介绍到这里，好像一切都很完美......

▲BUG!

问题出在哪儿了呢？实验表明，序列生成往往过早就结束了，导致很多目标都被漏掉了。可能是因为数据标注的噪声以及目标识别或定位的不确定性。所以作者想到的 trick 是：人为降低似然，延迟生成 EOS，提高召回率！然后就被打脸了......这又带来了很多噪声，以及重复的检测结果。

这又是为啥？作者觉得这主要是因为模型不依赖于任务，因为去掉了太多任务的先验知识。所以如果想要在 precision 和 recall 上打好这套太极玩好平衡术，还是得加点先验调一调味儿。于是天降猛料——序列数据增强！即：Altered sequence construction.

▲序列数据增强

我们在输入序列 的后面加一些人为制造的噪声 token，可以是已检测出的真实目标的随机缩放平移，也可以是完全随机的 box 和类别。然后在目标序列 上，给噪声 token 设置成 “noise” 这个特殊的类别，相应的坐标都表示为 “N/A”, 损失权重 要设置为零。

因此在 inference 的时候，我们让模型预测最大长度的序列，在重构 box 和 class 的时候，用似然最大的实际类别替换 noise 类别，并将似然作为其打分。

看到这里，不得不说，Hinton 不愧是 Hinton... 这也能搞 work...

实验结果

实验结果非常的够看啊！

▲实验结果

总结一下主要是以下两点：

1. 对标 Faster R-CNN : 小中型目标差异不大，但在大型目标上，本文的模型表现更好！
2. 对标 DETR : 大型目标上差异不大(或者略差一点), 但在小中型目标上，本文的模型表现突出！

结论

Pix2Seq 是一个简单而通用的目标检测框架，简化了目标检测的 pipeline, 消除了大部分先验知识，效果也非常能打！当然，这个架构还可以进行进一步地优化。

作者认为，这个框架不仅适用于目标检测，其他产生低带宽输出的视觉任务（即输出可以用简洁的离散 token 序列表示）也可以尝试用这个框架来解决。因此，作者希望将其做成一个通用统一的接口以解决各种各样的视觉任务。另外，也希望能让模型减少对于人工标注的依赖，多一点无监督学习的能力。

最后的话

小编认为，这是一个很有开创性意义的工作，或者说学术思想。从哲学的角度讲，如果我们信奉 萨丕尔－沃尔夫假设(语言决定思维) 的话，就很容易坚信自然语言的伟大潜力。人类用语言描述世间万物，下到家常小事，上到天文地理，所有的任务，都可以用自然语言来表示输入和输出，因此我们坚信语言具有非常强大甚至是接近于无限的表达能力：Language is the embedding of everything ！ 回到本文，Hinton 成功地将目标检测这一个典型的视觉任务转化成了语言的任务，那么我们是不是可以猜想，一切任务都能用序列来解决：All in Seq ！ 如果真的如同萨丕尔和沃尔夫所说，人类的思考过程都是基于语言的（即人类通过心中语言整理和推演自己的思路），那么，我们是不是可以不断地发掘本文的潜力，找到机器推理的密码？Hinton 作为心理学家出身的 AIer，不知道对此究竟是怎么思考的......

所以，是有一个 “宇宙” 蕴含在这篇论文中的！欢迎大家进行思考与讨论，即便是科幻也无妨（比如在知乎上或者评论区等等）。

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