CLIP Surgery论文阅读

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CLIP Surgery for Better Explainability with Enhancement in Open-Vocabulary Tasks(CVPR2023)

M = norm ⁡ ( resize ⁡ ( reshape ⁡ ( F i ˉ ∥ F i ‾ ∥ 2 ⋅ ( F t ∥ F t ‾ ∥ 2 ) ⊤ ) ) ) M=\operatorname{norm}\left(\operatorname{resize}\left(\operatorname{reshape}\left(\frac{\boldsymbol{F}_{\bar{i}}}{\left\|\boldsymbol{F}_{\underline{i}}\right\|_{2}} \cdot\left(\frac{\boldsymbol{F}_{t}}{\left\|\boldsymbol{F}_{\underline{t}}\right\|_{2}}\right)^{\top}\right)\right)\right) M=norm resize reshape Fi 2Fiˉ( Ft 2Ft)
重点是CLIP的图可视化,上面是CLIP Surgery可视化Similarity map的公式

贡献:

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1.发现CLIP可视化结果(相似度图)和人的感知是反的,集中在背景(flatten transformer做q可视化,集中在前景
),认为是QK self-attention导致,最相似的token并不是本身或者相同语义区域,而是一些背景的噪声。而用vv attention就不会出现错误的关联。出现这种情况的原因主要是训练的pooling不合适,提出了CLIP Architecture Surgery,如模型图所示

x ^ i + 1 = {  None  i < d f attn  ( x i , { ϕ v } ) + x i i = d , f attn  n v ( x i , { ϕ v } ) + x ^ i i > d , ∀ T & A x i + 1 = { f F F N ( x i ′ ) + x i ′ ,  s.t.  x i ′ = f a t t n q k ( x i , { ϕ q , ϕ k , ϕ v } ) + x i , ∀ T & A f res  ( x i ) + x i , ∀ R e s \begin{array}{l} \hat{x}_{i+1}=\left\{\begin{array}{ll} \text { None } & i<d \\ f_{\text {attn }}\left(x_{i},\left\{\phi_{v}\right\}\right)+x_{i} & i=d, \\ f_{\text {attn } n_{v}}\left(x_{i},\left\{\phi_{v}\right\}\right)+\hat{x}_{i} & i>d \end{array}, \forall T \& A\right. \\ x_{i+1}=\left\{\begin{array}{ll} f_{F F N}\left(x_{i}^{\prime}\right)+x_{i}^{\prime}, \text { s.t. } & \\ x_{i}^{\prime}=f_{a t t n_{q k}}\left(x_{i},\left\{\phi_{q}, \phi_{k}, \phi_{v}\right\}\right)+x_{i} & , \forall T \& A \\ f_{\text {res }}\left(x_{i}\right)+x_{i} & , \forall R e s \end{array}\right. \\ \end{array} x^i+1=  None fattn (xi,{ϕv})+xifattn nv(xi,{ϕv})+x^ii<di=d,i>d,T&Axi+1= fFFN(xi)+xi, s.t. xi=fattnqk(xi,{ϕq,ϕk,ϕv})+xifres (xi)+xi,T&A,Res

2.发现CLIP可视化有非常多的噪声响应
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算取一个冗余特征,多类的情况显著的类会影响其他的类(带偏了)。所以我们用类之间的分数作为权重,对每个特征做类别的加权,来抑制显著类的影响。然后在类别维度(Nt,text token的数量)求均值作为冗余特征,并对每个特征减去冗余特征,然后求和得到余弦相似度。对于单个类来说,如交互式分割和多模态可视化,则用空文本特征作为冗余特征(知乎上看到这句话才明白,看的一脸懵逼)。category dimension 是(Nt)

具体如下:

  • 先算出multiplied features[Ni,Nt,C]: F m = F ^ i ∥ F ^ i ∥ 2 ⊙ F ^ t ∥ F ^ t ∥ 2 F_m=\frac{\hat{F}_i}{\|\hat{F}_i\|_2}\odot\frac{\hat{F}_t}{\|\hat{F}_t\|_2} Fm=F^i2F^iF^t2F^t

沿C方向做逐元素乘法

  • 再算similarity score[1,Nt]: s = s o f t m a x ( F c ∥ F c ∥ 2 ⋅ ( F t ∥ F t ∥ 2 ) ⊤ ⋅ τ ) s=softmax(\frac{F_c}{\|F_c\|_2}\cdot(\frac{F_t}{\|F_t\|_2})^\top\cdot\tau) s=softmax(Fc2Fc(Ft2Ft)τ)

[CLS]乘token[Nt,C]算相似度

  • 再算category weight[1,Nt]: w = s m e a n ( s ) w=\frac s{mean(s)} w=mean(s)s
  • 再算冗余特征common and redundant features[Ni,1,C]: F r = m e a n ( F m ⊙ e x p a n d ( w ) )   F_r=mean(F_m\odot expand(w))\mathrm{~} Fr=mean(Fmexpand(w)) 

沿C方向做,空文本相似度最大的?

  • 最后算common and redundant features[Ni,Nt]: S = s u m ( F m − e x p a n d ( F r ) )   S=sum(F_m-expand(F_r))~ S=sum(Fmexpand(Fr)) (去掉冗余特征)

模型

不参与训练,只在推理
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实验

错误的self-attention也能解释为什么有人删掉CLIP中ResNet的最后一个self-attention可以做可视化。但是ViT每层都是self-attention,所以现有的方法在ViT上表现很差(全是self-attention删最后一层没用)

开放多标签分类
除此之外我们的算法做open-vocabulary的多标签分类也有效果,可以作为一种后处理任意插到算法里面来提高mAP。原理是抑制冗余特征后会让误报少一些。注意,单类没有效果,因为冗余特征是一个common bias,不改变单张图别之间的位次,而是影响跨图之间的排位来减少误报

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多模态可解释性
做了多模态的可解释性,解释CLIP训练过程中文本和图片是怎么匹配的,也发现了一些有趣的现象。比如CLIP训练数据一般关注部分物体,如第一张图片只关注了自行车。而且CLIP对文本也有一定的感知,如最后一张。对于文本的解释,一些不重要的词如 ‘in’ ‘the’ ‘.’ 也经常也有高响应,而且结束符[end]是最高频的。这说明clip会把全局特征编码到固定的token中。
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ref

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