Contrastive Language-Image Pre-Training with Knowledge Graphs

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论文：Contrastive Language-Image Pre-Training with Knowledge Graphs (nips.cc)

摘要

近年来，大规模预训练框架的发展迅速，这些框架能够以统一的形式提取多模态表征，并在转移到下游任务时展现出有希望的性能。然而，现有的方法主要关注简单的图像-文本对的预训练，而忽略了不同模态概念之间的语义联系。在本文中，我们提出了一个基于知识的知识预训练框架，称为Knowledge-CLIP，它将语义信息注入到广泛使用的CLIP模型中。通过在预训练过程中引入基于知识的目标，并使用不同类型的知识图谱作为训练数据，我们的模型能够在视觉和语言中以更高的质量对表征进行语义对齐，并增强跨场景和模态的推理能力。在各种视觉-语言下游任务上的广泛实验证明了Knowledge-CLIP与原始CLIP和具有竞争力的基线相比的有效性。

引言

用于预训练的数据对是以最简单的方式组织的，即仅使用匹配和不匹配的描述来表示给定图像和文本对之间的关系。这通常会导致一种退化的情况，即模型倾向于依赖输入的共同出现而非其语义。

我们遵循CLIP的结构，并使用两个基于Transformer的模型分别作为图像和文本编码器。这两个编码器以知识图谱中的实体和关系为输入，提取实体和关系的原始特征。值得注意的是，实体可以是图像/文本的形式，而关系则始终由语言标记描述。然后，采用多模态Transformer编码器来融合基于关系的实体特征。通过这种方式，预训练模型被推动集中于理解视觉和文字概念之间的语义关系，从而在视觉和语言模态之间建立强大的语义连接。

为进一步提高训练效率并避免预训练过程中的大量计算成本，我们采用了一种简单的持续学习策略，基于CLIP的预训练权重来训练我们的模型。这为使用低训练资源有效提升CLIP模型性能提供了可能性。

回顾CLIP

CLIP使用两个独立的模型分别作为图像编码器和文本编码器。

• 对于文本输入，采用了一个12层的Transformer，宽度为512，注意力头为8。原始文本首先使用字节对编码技术在49,152的词汇量下进行转换。文本序列长度限制在76，并在输入文本编码器之前添加位置编码。
• 另一方面，CLIP有基于ResNet和基于Vision Transformer的不同版本的图像编码器架构。由于后续研究表明Vision Transformer模型的性能更好，本文只考虑基于Transformer的图像编码器。与文本输入类似，图像首先被转换为块，并添加位置编码。

在两个编码器的最后阶段，采用全局池化函数将特征图压缩成单个特征，作为整个图像/文本序列的表示。计算图像和文本特征的余弦距离作为数据对的相似性。在训练监督中，采用对比损失来最大化匹配对的相似性，同时最小化不匹配对的相似性。

Knowledge-CLIP

我们提出了一个基于知识图谱的新型预训练框架，从几个角度解决了原始CLIP模型的限制：

1. 我们将知识图谱引入训练数据集中，其中图结构数据和概念之间的语义关系使模型能够提取语义特征，并在输入之间建立语义连接；
2. 在当前的图像和文本编码器之上增加了一个多模态编码器，以融合不同模态的特征，并建模输入之间的联合分布；
3. 采用了基于CLIP预训练模型的持续学习策略，避免了预训练过程中的大量计算成本，并有效地增强了模型的泛化能力。

数据准备

与原始CLIP中使用的原始图像-文本对不同，我们的模型采用知识图谱作为输入。知识图谱可以定义为一个有向图G = {ξ, R, TR}，其中ξ, R分别对应实体和关系集，TR表示关系三元组的集合。三元组(h, r, t) ∈ TR表示实体h ∈ ξ与实体t ∈ ξ之间存在关系r ∈ R。如图3所示，我们在三种类型的知识图谱上预训练我们的模型，包括多模态知识图谱、场景图谱和基于语言的知识图谱。

模型架构

我们首先使用模态特定的分词器将输入处理成标记序列。对于语言输入，我们采用了BPE分词器，而图像输入则被切成不重叠的块，并按照ViT的方式转换成块序列并添加了可学习的位置编码。

然后，我们采用了两个独立的图像编码器$f_I(\cdot )$和文本编码器$f_T(\cdot )$来从原始输入中提取特征。对于给定的三元组(h, r, t)，实体h和t根据它们的模态（图像或文本）被发送到相应的编码器。关系r由语言标记表示，与文本实体类似，被发送到文本编码器。

与CLIP中的模型结构相比，我们引入了一种修改，以更好地适应我们的框架。具体来说，普通的CLIP模型在两个编码器的最后一层使用池化函数，将特征图压缩成全局表示。也就是说，对于输入$u\in R^{L\times d_i}$，其中$L$和$d_i$分别表示序列长度和特征维度，编码器的输出可以表示为：

我们去掉了原始CLIP模型中图像和文本实体的池化函数，以保留局部信息，并使用$x_u\in R^{L\times d_o}$作为提取的特征。另一方面，关系通常在有限的序列长度下，例如一个或两个词标记，其中信息密度小于实体。因此，我们保留了关系输入的池化函数，并使用${\bar{x}}_u\in R^{d_o}$作为提取的特征。

通过这种方式，我们提取了定义为$(x_h,{\bar{x}}_r,x_t)$的特征，它们对应于输入三元组$(h,r,t)$中的元素。为了建模三元组中不同元素的联合分布，我们考虑了一个多模态编码器TransEncoder(·)来融合来自不同来源的特征。具体来说，我们首先将三元组中的所有特征连接成单个序列，并在序列的开头使用一个头部标记。为了强调序列中标记的状态，我们考虑了三元组中每个元素h, r, t的额外可学习编码：

经过多模态编码器处理后，头部标记的特征最终作为整个序列的表示：

同时，关系表示从相应的标记中提取：

训练目标

考虑到知识图谱独特数据结构，我们框架主要采用两种类型的训练目标，包括基于三元组的损失和基于图的损失。此外，由于我们框架采用了持续学习策略，我们还考虑了知识蒸馏损失。

• 基于三元组的损失

对于在输入中缺少某些元素的不完整三元组，可以通过掩蔽相应特征的方式，如等式3中所述，得到类似的连接序列。例如，输入(h, r, -)的连接序列可以表示为：

在此基础上，给定一组输入 D = { ( h i , r i , t i ) } i = 1 N D = \{{(h_i, r_i, t_i)}\}^N_{i=1} D={(hi​,ri​,ti​)}i=1N​，我们首先对一个实体，即ti被掩蔽时的分布进行建模，并通过最小化负对数似然来推导实体-实体（E2E）损失：

我们还对三元组中关系被掩蔽时的分布进行建模，并类似地推导实体-关系（E2R）损失：

• 基于图的损失

我们还利用知识图谱数据集中的图结构，并采用图神经网络提取实体间的更深层次结构信息。我们通过图中连接的边传播信息，并用聚合特征更新实体表示。最后，我们通过计算图中传播前后实体特征的余弦相似度来定义图-实体（G2E）损失：

• 知识蒸馏损失

1. 除了知识图谱数据集，我们还训练我们的模型在几个广泛采用的图像-文本数据集上，这些数据集与CLIP训练数据具有相似的数据分布。为了更好地适应我们的预训练框架，我们将原始的图像-文本对转换为三元组形式，具有专门设计的关系“image of”和“caption of”。

2. 我们还使用原始的CLIP模型作为教师，并使用辅助损失LKD来衡量CLIP输出与我们模型输出之间的KL距离。

总损失为：

专门设计的关系“image of”和“caption of”。

2. 我们还使用原始的CLIP模型作为教师，并使用辅助损失LKD来衡量CLIP输出与我们模型输出之间的KL距离。

总损失为：