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CLIP-Chinese：中文多模态对比学习CLIP预训练模型

项目描述

微信公众号【YeungNLP】文章：CLIP-Chinese：中文多模态对比学习预训练模型 ，文章内可获取140w中文图文对预训练数据，以及中文CLIP预训练权重。

CLIP是由OpenAI提出的一种多模态对比学习方法，原模型使用了4亿个图文对进行对比学习训练，在下游的各种任务上均取得了不错的效果，并且在Zero-Shot任务上效果也令人惊艳。 模型论文可参考CLIP论文：Learning Transferable Visual Models From Natural Language Supervision

由于原生的CLIP模型是基于英文语料训练的，无法在中文任务中使用，本项目便是为了解决该问题。 本项目的主要工作如下：

• 编写Vit+Bert结构的CLIP模型，下面将其称为BertCLIP模型，以及预训练的pipeline。
• 基于LiT-tuning（Locked-image Text tuning）的方法，使用140万中文文本数据，对BertCLIP模型进行预训练。
• 在图文相似度、文本相似度、图图相似度等任务上，验证预训练模型的有效性。
• 分享140w中文图文对数据，分享预训练模型权重。

预模型权重分享

预训练权重使用方式详见下文

运行环境

python==3.8、transformers==4.18.0、torch==1.12.0

项目结构

• data:存放训练数据
  • images：存放训练图片
• images：存放一些测试的图片
• module:一些模块
  • argument.py：定制一些训练配置参数
  • configuration.py：模型配置config
  • datacollator.py
  • dataset.py
  • model.py：模型结构
• train_args：训练参数的配置文件
• download_image.py：下载图片的脚本
• filter_data.py：过滤训练数据的脚本
• train_clip.py：模型训练脚本
• predict_similarity.py：计算图文相似度、文本相似度、图图相似度的脚本

模型介绍与训练细节

笔者编写了一个基于Vit+Bert结构的BertCLIP模型，模型结构与原生CLIP大同小异，如下图所示。

预训练时，Vit与Bert分别加载不同的预训练权重，进行初始化。其中Vit的权重使用openai的clip模型进行初始化， 而Bert的权重使用mengzi中文预训练权重进行初始化。

在训练的时候，使用LiT-tuning（Locked-image Text tuning）的策略，也就是将Vit的权重进行冻结，对模型的其他参数进行训练。使用140w的中文图文对，过滤掉一些坏图， batch size=768，warmup step为1000步，学习率为5e-5，使用cosine衰减策略，训练50个epoch，大概73100个step，最终训练loss降到0.23左右。

使用方法

Quick Start

使用如下脚本，就可成功加载笔者分享的预训练权重，对图片和文本进行预处理，并且得到模型的输出

from transformers import CLIPProcessor
from component.model import BertCLIPModel
from PIL import Image
import requests

model_name_or_path = 'YeungNLP/clip-vit-bert-chinese-1M'
# 加载预训练模型权重
model = BertCLIPModel.from_pretrained(model_name_or_path)
CLIPProcessor.tokenizer_class = 'BertTokenizerFast'
# 初始化processor
processor = CLIPProcessor.from_pretrained(model_name_or_path)
# 预处理输入
url = "http://images.cocodataset.org/val2017/000000039769.jpg"
image = Image.open(requests.get(url, stream=True).raw)
inputs = processor(text=["一只小狗在摇尾巴", "一只小猪在吃饭"], images=image, return_tensors="pt", padding=True)
inputs.pop('token_type_ids')    # 输入中不包含token_type_ids

outputs = model(**inputs)

# 对于每张图片，计算其与所有文本的相似度
logits_per_image = outputs.logits_per_image  # image-text的相似度得分
probs = logits_per_image.softmax(dim=1)  # 对分数进行归一化

# 对于每个文本，计算其与所有图片的相似度
logits_per_text = outputs.logits_per_text  # text-image的相似度得分
probs = logits_per_text.softmax(dim=1)  # 对分数进行归一化

# 获得文本编码
text_embeds = outputs.text_embeds
# 获得图像编码
image_embeds = outputs.image_embeds

单独加载图像编码器，进行下游任务

from PIL import Image
import requests
from transformers import CLIPProcessor, CLIPVisionModel

model_name_or_path = 'YeungNLP/clip-vit-bert-chinese-1M'
model = CLIPVisionModel.from_pretrained(model_name_or_path)
CLIPProcessor.tokenizer_class = 'BertTokenizerFast'
processor = CLIPProcessor.from_pretrained(model_name_or_path)

url = "http://images.cocodataset.org/val2017/000000039769.jpg"
image = Image.open(requests.get(url, stream=True).raw)

inputs = processor(images=image, return_tensors="pt")

outputs = model(**inputs)
last_hidden_state = outputs.last_hidden_state
pooled_output = outputs.pooler_output 

单独加载文本编码器，进行下游任务

from component.model import BertCLIPTextModel
from transformers import BertTokenizerFast

model_name_or_path = 'YeungNLP/clip-vit-bert-chinese-1M'
model = BertCLIPTextModel.from_pretrained(model_name_or_path)
tokenizer = BertTokenizerFast.from_pretrained(model_name_or_path)

inputs = tokenizer(["一只小狗在摇尾巴", "一只小猪在吃饭"], padding=True, return_tensors="pt")
inputs.pop('token_type_ids')  # 输入中不包含token_type_ids

outputs = model(**inputs)
last_hidden_state = outputs.last_hidden_state
pooled_output = outputs.pooler_output

作者把训练好的Bert模型权重也单独拎出来，可以直接使用BertModel直接加载，进行下游任务

from transformers import BertTokenizer, BertModel

model_name_or_path = 'YeungNLP/bert-from-clip-chinese-1M'
tokenizer = BertTokenizer.from_pretrained(model_name_or_path)
model = BertModel.from_pretrained(model_name_or_path)

获取训练数据

可以直接使用作者分享的140w的中文训练数据，数据可从公众号文章中获取。也可以使用自己的训练数据。训练数据为csv文件，格式如下，其中filename表示图片下载后的文件名。

text,url,filename
欧美夏季ebay连衣裙 气质圆领通勤绑带收腰连衣裙 zc3730,"https://gimg2.baidu.com/image_search/src=http%3A%2F%2Fcbu01.alicdn.com%2Fimg%2Fibank%2F2020%2F527%2F038%2F17187830725_1528924397.220x220.jpg&refer=http%3A%2F%2Fcbu01.alicdn.com&app=2002&size=f9999,10000&q=a80&n=0&g=0n&fmt=jpeg?sec=1632524815&t=d66159b43fb0335c11898f9764847ea7",test-0.jpg
"曾是名不见经传的王平,为何能够取代魏延,成为蜀汉",https://pic.rmb.bdstatic.com/19539b3b1a7e1daee93b0f3d99b8e795.png,test-1.jpg
女童黄色连衣裙,"https://gimg2.baidu.com/image_search/src=http%3A%2F%2Fa.vpimg2.com%2Fupload%2Fmerchandise%2F227958%2FLYQ-S314186413-3.jpg&refer=http%3A%2F%2Fa.vpimg2.com&app=2002&size=f9999,10000&q=a80&n=0&g=0n&fmt=jpeg?sec=1632501843&t=b0a3b843f9ecebd71fe6f27643c17486",test-2.jpg

下载图片

执行download_image.py脚本，可以直接多线程下载图片，只需要指定线程数、训练文件，以及图片保存路径即可。

配置训练参数

在train_args/train_clip.json中按需配置训练参数，参数说明如下：

• output_dir:训练输出路径
• clip_pretrain_path：clip模型的预训练权重
• bert_pretrain_path：bert模型的预训练权重
• load_from_bert_clip：是否使用BertCLIP的模型权重对模型进行初始化。若为False，则需要同时指定clip_pretrain_path与bert_pretrain_path，模型的Vit与Bert的权重分别加载自不同的预训练权重。若为True，则整个BertCLIP模型直接使用clip_pretrain_path的预训练权重进行初始化。
• image_path：存放图片的目录
• train_file：训练集
• test_file：测试集，如果为None，则不进行预测
• num_train_epochs：训练轮次
• max_steps：训练的最大步数，会覆盖num_train_epochs的效果
• per_device_train_batch_size：训练的batch size
• per_device_eval_batch_size：推理的batch size
• learning_rate：学习率
• max_seq_length：文本的最大长度
• logging_steps：多少步打印一次训练日志
• save_steps：多少步保存一次checkpoint
• save_total_limit：最多保存多少个checkpoint
• lr_scheduler_type：学习率的变化策略
• warmup_steps：warmup的步数，会覆盖warmup_ratio的效果
• warmup_ratio：warmup的比例
• gradient_accumulation_steps：梯度累计的步数
• optim：优化器
• seed：随机种子
• fp16：是否使用混合精度进行训练，最好设为True，可以使用更大的batch size，并且加快训练速度
• no_cuda：是否不使用GPU
• dataloader_num_workers：使用多少个线程加载训练数据，根据自己的机器情况，尽量设大一些，否则训练瓶颈会卡在读图片上

开始训练

注：如果需要在YeungNLP/clip-vit-bert-chinese-1M权重的基础上做继续预训练，需要将令load_from_bert_clip=True，clip_pretrain_path="YeungNLP/clip-vit-bert-chinese-1M"。

CUDA_VISIBLE_DEVICES=0 python train_clip.py --train_args_file train_args/train_clip.json

后台运行：
CUDA_VISIBLE_DEVICES=0 nohup python train_clip.py --train_args_file train_args/train_clip.json &

相似度计算

作者实现了图文相似度、文本相似度、图图相似度的计算脚本，在predict_similarity.py文件中

效果展示

图文相似度计算

在计算图文相似的时候，首先计算两两图文向量之间的点乘相似度。对于每张图，将其与所有文本的相似度进行softmax归一化，得到最终的分数。

图片	候选文本的相似度
	[('一辆公交车停在路边', 1.0), ('清澈的湖水，蓝蓝的天空，茂密的树木', 5.12310229794366e-08), ('秋天跑车唯美图片桌面壁纸', 8.085075942076969e-10), ('冬日里，一只老虎在雪地玩耍', 4.903254538501933e-11), ('一只小狗', 7.86001212033094e-12), ('一只可爱的小猫', 1.0248470908719165e-12), ('可爱的小鸡', 6.081324679940714e-13), ('一群可爱的小黄鸡在篮子里', 4.469586525434992e-14), ('一只老虎在河边喝水', 3.782940198479535e-15), ('一只公鸡在打鸣', 9.850900002943315e-16)]
	[('一只可爱的小猫', 0.9998341798782349), ('一只小狗', 0.00011115620145574212), ('冬日里，一只老虎在雪地玩耍', 3.2785530493129045e-05), ('可爱的小鸡', 1.3479968401952647e-05), ('一只公鸡在打鸣', 5.406232048699167e-06), ('一只老虎在河边喝水', 1.8825736560756923e-06), ('秋天跑车唯美图片桌面壁纸', 7.272767561516957e-07), ('一群可爱的小黄鸡在篮子里', 3.3080158345910604e-07), ('清澈的湖水，蓝蓝的天空，茂密的树木', 2.4945970622525238e-08), ('一辆公交车停在路边', 3.1998936920324406e-13)]
	[('清澈的湖水，蓝蓝的天空，茂密的树木', 0.9990612864494324), ('秋天跑车唯美图片桌面壁纸', 0.0009054617257788777), ('一只公鸡在打鸣', 3.1990679417504e-05), ('一只老虎在河边喝水', 7.763640610392031e-07), ('一只可爱的小猫', 2.097889790775298e-07), ('冬日里，一只老虎在雪地玩耍', 1.320097595680636e-07), ('一只小狗', 3.0081434232442916e-08), ('一群可爱的小黄鸡在篮子里', 2.7587644169102532e-08), ('一辆公交车停在路边', 1.4087997435296984e-08), ('可爱的小鸡', 2.3810455343498127e-11)]
	[('冬日里，一只老虎在雪地玩耍', 0.9999402761459351), ('一只老虎在河边喝水', 5.974959640298039e-05), ('一只可爱的小猫', 1.1624400997334305e-08), ('一只小狗', 1.0728960254946518e-11), ('秋天跑车唯美图片桌面壁纸', 2.6702420656554704e-12), ('一只公鸡在打鸣', 1.529327337511377e-13), ('清澈的湖水，蓝蓝的天空，茂密的树木', 4.067204540281373e-14), ('可爱的小鸡', 5.289698732746477e-15), ('一辆公交车停在路边', 6.407785717133061e-17), ('一群可爱的小黄鸡在篮子里', 5.284812596720461e-17)]
	[('一只老虎在河边喝水', 0.9969038367271423), ('冬日里，一只老虎在雪地玩耍', 0.0030961050651967525), ('一只可爱的小猫', 6.944087971305635e-09), ('一只小狗', 3.5471511838913727e-10), ('清澈的湖水，蓝蓝的天空，茂密的树木', 1.8006697521943948e-10), ('一只公鸡在打鸣', 3.4972351403705915e-11), ('可爱的小鸡', 3.3940988040936926e-12), ('一群可爱的小黄鸡在篮子里', 2.376999638786792e-12), ('一辆公交车停在路边', 2.276026318370067e-13), ('秋天跑车唯美图片桌面壁纸', 2.0756604714091548e-13)]
	[('秋天跑车唯美图片桌面壁纸', 1.0), ('冬日里，一只老虎在雪地玩耍', 9.960791913510292e-11), ('一只公鸡在打鸣', 1.591680606760626e-11), ('一只可爱的小猫', 4.712048893434906e-12), ('一只老虎在河边喝水', 5.603533045558939e-13), ('可爱的小鸡', 9.460436448983922e-14), ('一辆公交车停在路边', 9.048587345985432e-14), ('一只小狗', 5.001745647162641e-15), ('一群可爱的小黄鸡在篮子里', 1.828375462031742e-15), ('清澈的湖水，蓝蓝的天空，茂密的树木', 7.682980915206854e-18)]
	[('一只公鸡在打鸣', 0.9975091218948364), ('可爱的小鸡', 0.0022025061771273613), ('一群可爱的小黄鸡在篮子里', 0.00028838840080425143), ('秋天跑车唯美图片桌面壁纸', 6.824043552455805e-09), ('一只老虎在河边喝水', 4.110817908298259e-09), ('一只小狗', 2.337234850102732e-09), ('一只可爱的小猫', 1.6396863866674494e-09), ('清澈的湖水，蓝蓝的天空，茂密的树木', 2.0205015438534701e-10), ('冬日里，一只老虎在雪地玩耍', 4.627530997280971e-11), ('一辆公交车停在路边', 2.0185879335242463e-13)]
	[('一群可爱的小黄鸡在篮子里', 0.8838089108467102), ('可爱的小鸡', 0.07804790884256363), ('一只公鸡在打鸣', 0.03811056911945343), ('一只小狗', 3.069013109779917e-05), ('一只可爱的小猫', 1.8627710005603149e-06), ('清澈的湖水，蓝蓝的天空，茂密的树木', 3.4984658725534246e-08), ('秋天跑车唯美图片桌面壁纸', 1.3271076459986375e-09), ('一只老虎在河边喝水', 1.7967190235612662e-11), ('冬日里，一只老虎在雪地玩耍', 6.9594542802253745e-12), ('一辆公交车停在路边', 1.7240564512588548e-14)]
	[('一只小狗', 0.9999330043792725), ('一只可爱的小猫', 6.655451579717919e-05), ('可爱的小鸡', 3.337503642342199e-07), ('秋天跑车唯美图片桌面壁纸', 1.249009784487498e-07), ('冬日里，一只老虎在雪地玩耍', 1.2343871702569231e-08), ('清澈的湖水，蓝蓝的天空，茂密的树木', 3.481111399139536e-09), ('一只公鸡在打鸣', 2.925292993949391e-11), ('一辆公交车停在路边', 1.3085215203045841e-11), ('一只老虎在河边喝水', 2.5823388566381666e-12), ('一群可爱的小黄鸡在篮子里', 1.0345113437768005e-12)]

文本相似度计算

在计算文本相似度的时候，首先计算两两文本之间的点乘相似度。对于每个文本，将其与自身的相似度置为-10000（否则对于每个文本，其与自身的相似度永远为最大）， 然后将其与所有文本的相似度进行softmax归一化，得到最终的分数。

图片相似度计算

与文本相似度的计算方式一致。为便于展示，仅选出top1的图片及其相似度分数。

注：由于在训练BertCLIP时，将图像编码器的权重冻结，所以该部分的能力，主要归功于OpenAI的clip预训练权重。

图片	top1图片	top1图片分数
		1.0
		0.9999992847442627
		0.9951345324516296
		0.9999798536300659
		1.0