01研究问题
为什么只认固定类别,会限制视觉模型?
固定标签只能教会模型在预先列好的选项中选择;新概念往往还要重新收集标注图片。传统图像分类模型可能学会判断一张图属于 ImageNet 的哪一类,却不能只靠一句新的类别描述,就自动增加一个分类选项。
作者想利用图片周围本来就存在的文字,例如标题或描述。文字可以表达物体,也可以表达动作、场景和更细的区别。模型若能从这些图文关系中学习,之后就有机会用自然语言告诉它“这次要分什么”。这里的“自然语言监督”就是用文字和图片的对应关系提供训练信号,并不意味着文字总是准确或完整。
为检验这条路线,作者从互联网公开来源构建了约 4 亿组图文配对,称作 WIT。收集时使用约 50 万个查询词,并限制每个查询收录的配对数量,以扩大覆盖面。这个数据集主要依赖英语文本;规模大也不能保证没有噪声、偏差或重复内容。
02图文配对训练
图片和文字,怎样在训练时找到彼此?
同一批图片与文字两两比较,训练模型认出哪张图对应哪段文字。CLIP 有两个编码器:图像编码器把图片变成一组数,文字编码器把文字变成一组数。这样的数字表示叫“向量”;两个向量可以计算相似度,判断它们在学到的表示空间里有多接近。
图中用三张图和三句话讲解:两两组合会得到 3 × 3 = 9 个格子,只有对角线的三格是真配对。论文实际训练时,一批有 N 组图文,就比较 N × N 个组合:提高 N 组真实配对的相似度,压低其余 N² − N 组错误配对的相似度。优化时同时从“图找文”和“文找图”两个方向计算损失。
作者起初尝试让模型逐词生成图片旁的文字,但这件事既难又耗计算。改为判断整段文字与哪张图相配后,论文图 2 显示:在其 ImageNet 零样本迁移比较中,相比“预测文字中有哪些词”的基线,对比学习目标的学习效率又提高约 4 倍。这是特定训练比较中的效率,不是说所有 CLIP 推理都快 4 倍。
CLIP 在这里学习的是“哪些图文相配”,不是生成描述或生成图片。示意图的“猫、汽车、树”也只是帮助看懂矩阵;真实训练数据更大、更杂。依据:原论文 §2.3:训练目标、图 3:核心计算、图 2:训练效率比较。
03零样本分类
没有新任务的训练图片,怎么给新图片分类?
先把要比较的类别写成几句候选文字,再看新图片与哪句最相近。例如要在“猫、汽车、树”之间选择,可以分别写成“一张猫的照片”“一张汽车的照片”“一张树的照片”。文字编码器先处理这些描述;图像编码器处理待分类图片;模型选择相似度最高的一项。
论文把这种做法叫“零样本迁移”:对目标数据集,不用它的标注图片再训练模型。但 CLIP 已经在大规模图文数据上预训练过,也必须先有人给出候选类别或描述;“零样本”不是从未见过图片,更不是无需定义任务。
写法为何会改变结果?
单写一个词有时太含糊。比如英文 boxer 既可能是拳击手,也可能是拳师犬;加上“某种宠物的照片”更容易指定所需含义。作者发现,默认句式“A photo of a {label}.”在 ImageNet 上比只写类别名提高约 1.3 个百分点;再组合多种描述,另有约 3.5 个百分点的提升。因此分类结果不仅取决于图片,还取决于候选文字怎样写。
04实验结果
实验结果说明 CLIP 到底学到了什么?
它学到了可迁移的图文表示,能够在不少新数据集上直接做分类,但各任务表现差别很大。先看论文的几组证据,注意它们的比较对象并不相同。
| 比较 | 论文结果 | 能说明什么 |
|---|---|---|
| ImageNet 零样本分类 | CLIP 76.2%;此前 Visual N-Grams 11.5% | 在同一数据集上,图文训练路线的零样本表现大幅提升;两者方法和时代也不同。 |
| 27 个数据集的简单监督基线 | CLIP 在 16 个数据集胜出 | 它常可竞争,但没有在所有数据集超过监督分类器。 |
| 同一 CLIP 表示的分类方式 | 多数数据集零样本仍低 10–25 个百分点 | 图像表示已学到信息,用文字把任务说准确仍有明显提升空间。 |
在 ImageNet 上,论文所用的最大 CLIP 模型约 76.2% 的零样本 top-1 准确率,接近原版、使用 128 万张标注训练图像的 ResNet-50。top-1 是只看模型排在第一位的类别是否正确。这不意味着 CLIP 达到当时所有视觉模型的最佳水平,也不意味着它没有用过大量图片;它没有使用的是这个目标数据集的标注训练样本。
换到不同任务,结果会分化。作者在 27 个数据集上把零样本 CLIP 与“先提取 ResNet-50 图像特征,再用目标数据标注训练线性分类器”的简单基线比较,CLIP 在 16 个数据集胜出。论文还比较自然分布变化下的稳定性,但这些结果来自所选基准,不能直接推断真实产品环境的可靠性。
依据:原论文表 1:ImageNet 零样本结果、图 5:27 个数据集、图 8:零样本与线性分类器、§3.3:分布变化。
05适用边界
哪些图片任务不能放心交给 CLIP?
当任务需要精细辨别、计数,或图片分布与训练资料差得很远时,零样本表现可能明显下降。论文提到车型、花卉品种、飞机型号等细粒度分类,以及图中物体计数,都是弱项。若要判断“图中最近的一辆车有多远”这类训练语料里不常见的任务,结果甚至可能接近随机猜测。
分布变化也不能一概而论。论文报告 CLIP 对一些自然照片的分布变化更稳,但对 MNIST 手写数字,零样本准确率只有约 88%,甚至不如直接在像素上训练的简单分类器。作者指出,训练集中几乎没有类似 MNIST 的图像。见过很多互联网图片,不等于能识别所有形式的图片。
还有两个使用前提:其一,分类只能从预设的候选描述里选,无法像图片描述模型那样自由写出答案;其二,候选文字会影响判断,因此要检验不同措辞。论文也检查了训练和评测图片可能重复的问题,但检测器无法证明已找全所有重复样本。
作者在更广泛影响一节提醒了偏见和监控用途的风险。用一句文字就能临时创建分类器,降低了试用门槛,也让不合适的分类任务更容易被部署。产品启发是:在具体人群、场景和候选描述上单独评估准确率与误用风险;这是一条基于论文边界提出的建议,并非论文已经完成的产品验证。