37項(xiàng)SOTA！全模態(tài)預(yù)訓(xùn)練范式MiCo：理解任何模態(tài)并學(xué)習(xí)通用表示

明敏 2024-06-16 16:01:25 來(lái)源：量子位

MiCo團(tuán)隊(duì) 投稿

量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

GPT-4o掀起一股全模態(tài)（Omni-modal）熱潮，去年的熱詞多模態(tài)仿佛已經(jīng)不夠看了。

要構(gòu)建全模態(tài)智能，意味著能夠理解任何模態(tài)并學(xué)習(xí)通用表示 (Universal Representations)。

現(xiàn)在，港中文、中科院等提出了一種大規(guī)模的全模態(tài)預(yù)訓(xùn)練范式，稱為多模態(tài)上下文MiCo（Multimodal Context），它可以在預(yù)訓(xùn)練過(guò)程中引入更多的模態(tài)，數(shù)據(jù)量，模型參數(shù)。

借助 MiCo，團(tuán)隊(duì)預(yù)訓(xùn)練的模型在多模態(tài)學(xué)習(xí)中表現(xiàn)出極為令人印象深刻的性能，在目前主流的三大類任務(wù)上的評(píng)估結(jié)果顯示出：

• 10種不同模態(tài)的單模態(tài)感知基準(zhǔn)。
• 25種跨模態(tài)理解任務(wù)，包括檢索、問(wèn)答、描述。
• 18種多模態(tài)大型語(yǔ)言模型基準(zhǔn)，MiCo取得了37項(xiàng)最強(qiáng)性能的記錄。

大規(guī)模全模態(tài)預(yù)訓(xùn)練

在AI的發(fā)展歷程中, 大規(guī)模的預(yù)訓(xùn)練已經(jīng)逐漸成為一種非常有前景的途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)通用智能（譬如大規(guī)模訓(xùn)練的GPT-4o, LLaMA, Stable Diffusion）。

其中圖文對(duì)比學(xué)習(xí)是社區(qū)最有影響力的預(yù)訓(xùn)練方法之一，比如，CLIP構(gòu)建起了數(shù)百萬(wàn)的圖文數(shù)據(jù)對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)跨模態(tài)的對(duì)比學(xué)習(xí)。

研究者將這樣的對(duì)比學(xué)習(xí)范式推廣到了更多的數(shù)據(jù)模態(tài)上（音頻，點(diǎn)云）同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了更深入的語(yǔ)義理解（LLaVA, VideoChat）。

但是在這多模態(tài)與AIGC的時(shí)代里，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)模態(tài)（比如，音頻，3D內(nèi)容等）被廣泛使用時(shí)，僅限于圖文預(yù)訓(xùn)練的基礎(chǔ)模型帶來(lái)了包括多模態(tài)錯(cuò)位、誤解、幻覺(jué)和偏見(jiàn)放大等問(wèn)題，這些難題都阻礙了連貫的多模態(tài)理解（coherent multimodal understanding）。

因此，團(tuán)隊(duì)希望提出一種能適用于全模態(tài)（不局限于僅圖文音視頻3D內(nèi)容）的大規(guī)模預(yù)訓(xùn)練方法，如圖所示，團(tuán)隊(duì)將視頻與相配對(duì)的音頻、文字描述、深度還有法線進(jìn)行聯(lián)合預(yù)訓(xùn)練。

如何設(shè)計(jì)全模態(tài)預(yù)訓(xùn)練中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)？

參考人腦中多模態(tài)認(rèn)知的過(guò)程，如下圖所示，根據(jù)理查德·梅耶的多媒體學(xué)習(xí)認(rèn)知理論（Richard E Mayer. Multimedia learning. In Psychology of learning and motivation, volume 41,305 pages 85–139. Elsevier, 2002.），人腦對(duì)耳朵和眼睛的感知內(nèi)容（圖/文/視頻/音頻/3D）有兩個(gè)不同的通道來(lái)處理他們的感覺(jué)記憶。

感覺(jué)記憶通過(guò)文字將這些多模態(tài)信號(hào)與先驗(yàn)知識(shí)整合在一起，將新的多媒體信息轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)期記憶。

由此團(tuán)隊(duì)能推斷：1）大腦中的多媒體信號(hào)共享感知通道，2）文字在大腦中充當(dāng)推理接口。

受此啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)將不同的模態(tài)分為兩類：“知識(shí)模態(tài)”和“接口模態(tài)”。

知識(shí)模態(tài)主要來(lái)自原始傳感器，以不同的形式貢獻(xiàn)知識(shí)。例如，圖像和深度圖提供視覺(jué)知識(shí)，而音頻和視頻提供聽(tīng)覺(jué)和時(shí)空知識(shí)。人類語(yǔ)言模態(tài)本質(zhì)上更為抽象，自然地作為了接口模態(tài)，促進(jìn)大腦學(xué)習(xí)、推理和知識(shí)的協(xié)調(diào)。

為此，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)全模態(tài)學(xué)習(xí)架構(gòu)（詳細(xì)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)文3.2），如上圖 (b) 所示，它有兩個(gè)不同的分支：一個(gè)用于知識(shí)模態(tài)，一個(gè)用于接口模態(tài)，即自然語(yǔ)言。知識(shí)和界面模態(tài)通過(guò)一種新穎的生成推理方法進(jìn)行對(duì)齊（見(jiàn)方法3.4）。

大規(guī)模的全模態(tài)預(yù)訓(xùn)練算法：多模態(tài)上下文與多模態(tài)尺度定律(Scaling Law)

“上下文”這一概念在本文指的是在注意力機(jī)制為序列中的每個(gè)標(biāo)記分配一個(gè)唯一向量來(lái)強(qiáng)化了位置之間的潛在關(guān)聯(lián)。

不同的模態(tài)（例如，文本、圖像、音頻）提供了互補(bǔ)信息，因此學(xué)習(xí)多模態(tài)的上下文可以更全面、細(xì)致地理解數(shù)據(jù)，還可以利用每種模態(tài)的優(yōu)勢(shì)，引導(dǎo)模型理解不同類型信息之間的交互。因此，團(tuán)隊(duì)尋求構(gòu)建跨越不同模態(tài)的上下文關(guān)系，使得模態(tài)之間能夠相互增強(qiáng)（見(jiàn)下圖）并將學(xué)習(xí)能力擴(kuò)展到全模態(tài)。

多模態(tài)配對(duì)數(shù)據(jù)中的多模態(tài)上下文

首先團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了多模態(tài)配對(duì)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集 （圖像，深度，法線，圖像的配對(duì)文字，音頻，音頻配對(duì)文字，視頻，視頻配對(duì)文字）。

然后使用一個(gè)全模態(tài)編碼器(ViT) 提取多模態(tài)特征，然后使用文本編碼器提取文本特征。通過(guò)自上而下的設(shè)計(jì)構(gòu)建多模態(tài)上下文關(guān)系：

1. 對(duì)于整個(gè)多模態(tài)Embeddings，它們共享一套位置編碼，以構(gòu)建跨越不同模態(tài)的融合上下文關(guān)系。
   2.然后，對(duì)于每個(gè)特定模態(tài)的上下文，它們通過(guò)不同的模態(tài)標(biāo)記來(lái)指示模態(tài)類別。
2. 在同一模態(tài)上下文中，團(tuán)隊(duì)使用單獨(dú)的上下文編碼構(gòu)建單一模態(tài)上下文關(guān)系（詳見(jiàn)原文）上下文編碼取決于特定模態(tài)的樣本長(zhǎng)度。

同時(shí)，不同模態(tài)的配對(duì)文本內(nèi)容可以簡(jiǎn)單的拼接起來(lái)，其位置編碼同樣是共享的：

多數(shù)據(jù)集中的多模態(tài)上下文：圖-文/音頻-文字/視頻-文字等

團(tuán)隊(duì)提出的范式還可以利用現(xiàn)有的大規(guī)模文本-圖像、文本-音頻和文本-視頻數(shù)據(jù)集，共同預(yù)訓(xùn)練模型來(lái)學(xué)習(xí)通用表征。給定數(shù)據(jù)集 圖文/音頻-文字/視頻-文字?jǐn)?shù)據(jù)集，每對(duì)數(shù)據(jù)擁有局部的簡(jiǎn)單的上下文，例如，圖文數(shù)據(jù)對(duì)在CLIP中僅對(duì)應(yīng)一個(gè)簡(jiǎn)單的上下文，這可能會(huì)限制模型學(xué)習(xí)表征（工程中增大Batch Size來(lái)緩解）。團(tuán)隊(duì)提出通過(guò)跨數(shù)據(jù)集的聯(lián)合采樣，使用采樣編碼(Sampling Embeddings) 標(biāo)記同一個(gè)數(shù)據(jù)集的配對(duì)數(shù)據(jù)，再層次化地在多數(shù)據(jù)之間構(gòu)建多模態(tài)上下文。

通過(guò)這種方式，團(tuán)隊(duì)成功地結(jié)合了現(xiàn)有的多種跨模態(tài)數(shù)據(jù)集，通過(guò)構(gòu)建更通用和復(fù)雜的多模態(tài)上下文（見(jiàn)上述公式）來(lái)預(yù)訓(xùn)練模型，從而實(shí)現(xiàn)更好的泛化學(xué)習(xí)能力、更完善的模態(tài)擴(kuò)展性和數(shù)據(jù)擴(kuò)展性來(lái)超越現(xiàn)有的預(yù)訓(xùn)練方法。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

10種單模態(tài)感知基準(zhǔn): 7項(xiàng)SOTA

25種跨模態(tài)檢索、問(wèn)答、描述基準(zhǔn): 20項(xiàng)SOTA

18種多模態(tài)大模型問(wèn)答基準(zhǔn)：10項(xiàng)SOTA

結(jié)論

在本文中，團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)新的大規(guī)模預(yù)訓(xùn)練框架 MiCo，用于訓(xùn)練具有全模態(tài)理解能力的基礎(chǔ)模型。通過(guò)大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)得出結(jié)論，全模態(tài)學(xué)習(xí)的關(guān)鍵是模擬人腦的多模態(tài)認(rèn)知過(guò)程。在 MiCo中，團(tuán)隊(duì)使用RGB圖像、深度和法線圖來(lái)模擬人類視覺(jué)認(rèn)知的基本視覺(jué)感知能力、距離空間感知和幾何感知。

此外，文字描述、音頻和視頻提供先驗(yàn)知識(shí)、聽(tīng)覺(jué)感知，時(shí)空感知能力，有效地提升了模型的對(duì)于多模態(tài)信息的理解能力，在未來(lái)的工作中，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃通過(guò)結(jié)合其他更多模態(tài)來(lái)繼續(xù)增強(qiáng)全模態(tài)聯(lián)合預(yù)訓(xùn)練，包括光流、IMU 數(shù)據(jù)和事件文件等。

團(tuán)隊(duì)相信MiCo中多模態(tài)上下文預(yù)訓(xùn)練算法是人工智能模擬人腦多模態(tài)認(rèn)知的重要嘗試，團(tuán)隊(duì)期待它能夠啟發(fā)未來(lái)的工作，開(kāi)發(fā)更強(qiáng)大的全模態(tài)基礎(chǔ)模型。

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