计算机视觉的GPT时刻，来了！

最近，来自UC伯克利的计算机视觉「三巨头」联手推出了第一个无自然语言的纯视觉大模型（Large Vision Models），并且第一次证明了纯视觉模型本身也是可扩展的（scalability）。

除此之外，研究人员还利用超过420B token的数据集让模型可以通过上下文学习来理解并执行下游任务，并且统一了图片/视频、有监督/无监督、合成/真实、2D/3D/4D等几乎所有的数据形式。

论文地址：https://arxiv.org/abs/2312.00785

值得一提的是，让LVM做非语言类智商测试（Raven's Progressive Matrices ）中常见的非语言推理问题，它时常能做出正确的推断。

对此，研究人员惊喜地表示，这或许意味着LVM也展现出了「AGI的火花」！

纯视觉模型的逆袭

现在，随着大语言模型的爆发，不管是学术界还是业界，都开始尝试使用「文本」来扩大视觉模型的规模。

包括GPT4-V在内的SOTA模型，都是把视觉和文字组合在一起训练的。

以「苹果」为例，这种方法在训练时不仅会给模型看「苹果的照片」，而且还会配上文字「这是一个苹果」。

然而，在面对更加复杂的图片时，就很容易忽略其中大量的信息。

比如「蒙娜丽莎」应该怎么去描述？或者摆满各种物品的厨房的照片，也很难清晰地被描述出来。

对此，来自UC伯克利和约翰斯·霍普金斯大学的研究人员，提出了一种全新的「视觉序列」建模方法，可以在不使用任何语言数据的情况下，训练大规模视觉模型（Large Vision Model）。

这种名为「视觉序列」的通用格式，可以在其中表征原始图像和视频，以及语义分割、深度重建等带标注的数据源，且不需要超出像素之外的任何元知识。

一旦将如此广泛的视觉数据（包含4200亿个token）表征为序列，就可以进行模型的训练，让下一个token预测的交叉熵损失最小化。

由此得到的LVM模型，不仅可以实现有效地扩展，完成各种各样的视觉任务，甚至还能更进一步地涌现出比如数数、推理、做智力测试等能力。

左：Alexei A Efros；中：Trevor Darrell；右：Jitendra Malik

简单来说就是，大规模视觉模型只需看图训练，就能理解和处理复杂的视觉信息，完全不用依赖语言数据。

纯视觉模型的扩展难题

此前，使用预训练模型的价值 (例如ImageNet预训练的 AlexNet) ，早在2015年就已经在R-CNN中得到了证明。

从此， 它从此成为计算机视觉的标准实践。

而自监督预训练，作为一种大大增加可用于预训练的数据量的方法被提出。

不幸的是，这种方法并不是很成功，可能是因为当时基于CNN的架构没有足够的能力来吸收数据。

随着Transformer的推出，其容量变得高得多，因此研究人员重新审视了自监督预训练，并发现了基于Transformer的掩码图像重建方法，例如BEiT, MAE，SimMIM，它们要比基于CNN的同类方法表现好得多 。

然而，尽管如此，目前预训练的纯视觉模型在扩展到真正大的数据集(例如LAION) 时，还是遇到了困难。

如何构建「大视觉模型」

那构建一个大规模视觉模型（Large Vision Model，LVM），需要哪些要素呢？

动物世界告诉我们，视觉能力并不依赖于语言。而许多实验表明，非人类灵长类动物的视觉世界，和人类的极为相似。

因此，本文走在了LLaVA这种视觉-语言模型不同的方向：仅依靠像素，我们能走多远？

研究人员试图在LVM中，模仿LLM的两个关键特性：（1）在大数据环境下的扩展能力，和（2）通过提示（上下文学习）灵活地指定任务。

为了实现这一目标，需要明确三个主要组件：

数据：研究人员希望，能够充分利用视觉数据显著的多样性。

首先是原始的未经标注的图像和视频。接下来，研究人员计划利用过去几十年中产生的各种带标注的视觉数据资源，如语义分割、深度重建、关键点、3D物体的多个视图等。

为此，他们定义了一种名为「视觉序列」的通用格式，来表示这些不同的标注，而不需要任何超出像素本身的元知识。训练数据集总共包含1.64亿张图像/帧。

架构：研究人员使用了一个具有30亿参数的大型Transformer架构，这个架构在被表征为token序列的视觉数据上进行训练。

通过学习到的tokenizer，将每个图像映射到一个包含256个向量量化token的字符串。

损失函数：研究人员从自然语言处理领域获取了灵感，其中掩码token模型已经演变为顺序自回归预测。

一旦能够将图像/视频/带标注的图像都表征为序列，就可以训练模型来最小化预测下一个token的交叉熵损失。

通过这种极简的设计，研究人员有了一些新颖的发现——

- 随着模型尺寸和数据大小的增加，模型会表现出适当的扩展行为。

- 通过在测试时设计合适的视觉提示，可以解决多种视觉任务。

- 大量无监督数据，对于各种标准视觉任务性能的提升非常明显。

- 模型在处理超出分布外数据和执行新颖任务时，表现出了一般的视觉推理能力，但还需要进一步的调查研究。

数据

数据！数据！数据！没有粘土我就做不了砖头！

——夏洛克·福尔摩斯

任何大型预训练模型的关键，就必须接受大量数据的训练。

对于语言模型来说，获得非常多样化的大数据集，是很容易的事。

比如，流行的 CommonCrawl存储库，就包含扫描了整个网络的2500亿个网页，极其多样化，并且包括语言翻译、问题回答等「自然演示」。

然而在计算机视觉领域，想要拥有同样规模和多样性的数据源，还差得很远。

因此，研究人员的工作核心贡献之一，就是构建这样一个统一视觉数据集（UVDv1）。

为此，研究人员利用了许多不同的视觉数据源：（1）未标注的图像，（2）具有视觉标注的图像，（3）未标注的视频，（4）具有视觉标注的视频，（5）3D合成物体。

其中，未标注的图像占了总数据的80%以上，组成了大部分的视觉世界，也提供了所需的多样性，然而代价就是，数据源质量较低。

带标注的图像分布会更受限制，但通常质量更高。

而视频数据则受到更多限制（一般是以人类为中心的活动），但它们却是时态数据的宝贵来源。

3D合成对象的渲染多样性最低，但可以提供有关3D结构行为的宝贵提示。

而最重要的是，UVDv1是一个纯粹的视觉数据集，不包含文本之类的非视觉元数据。

总之，UVDv1包含16.4亿张图像。

与LLM的另一个重要区别是，语言数据对所有数据都有一个自然的、统一的一维结构——文本流。

然而不幸的是，视觉数据的情况却并非如此，不同的来源都有不同的结构。

因此在这项工作中，研究人员提出视觉序列，作为视觉数据的统一单元，这就使得他们能够从不同的集合源，训练可扩展的模型。

视觉序列只是包含一个或多个图像的序列，后面跟随着一个句尾 (EOS) token。

图1可以显示出，各种数据源是如何划分为视觉序列的。

计算机视觉GPT时刻！UC伯克利三巨头祭出首个纯CV大模型，推理惊现AGI火花-51CTO.COM