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機器之心報道

編輯：張倩

從 GPT-3 開始，一種新的范式開始引起大家的關(guān)注：prompt。這段時間，我們可以看到大量有關(guān) prompt 的論文出現(xiàn)，但多數(shù)還是以 NLP 為主。那么，除了 NLP，prompt 還能用到其他領(lǐng)域嗎？對此，清華大學(xué)計算機系副教授劉知遠給出的答案是：當(dāng)然可以。

圖源：https://www.zhihu.com/question/487096135/answer/2143082483?utm

論文鏈接：https://arxiv.org/pdf/2109.11797.pdf

在細粒度圖像區(qū)域，定位自然語言對于各種視覺語言任務(wù)至關(guān)重要，如機器人導(dǎo)航、視覺問答、視覺對話、視覺常識推理等。最近，預(yù)訓(xùn)練視覺語言模型（VL-PTM）在視覺定位任務(wù)上表現(xiàn)出了巨大的潛力。通常來講，一般的跨模態(tài)表示首先以自監(jiān)督的方式在大規(guī)模 image-caption 數(shù)據(jù)上進行預(yù)訓(xùn)練，然后進行微調(diào)以適應(yīng)下游任務(wù)。VL-PTM 這種先預(yù)訓(xùn)練再微調(diào)的范式使得很多跨模態(tài)任務(wù)的 SOTA 被不斷刷新。

但盡管如此，清華大學(xué)、新加坡國立大學(xué)的研究者還是注意到，VL-PTM 的預(yù)訓(xùn)練與微調(diào)的 objective form 之間存在顯著差異。如下圖 1 所示，在預(yù)訓(xùn)練期間，多數(shù) VL-PTM 都是基于掩碼語言建模目標(biāo)進行優(yōu)化，試圖從跨模態(tài)上下文恢復(fù) masked token。然而，在微調(diào)期間，下游任務(wù)通常通過將 unmasked token 表示歸為語義標(biāo)簽來執(zhí)行，這里通常會引入針對特定任務(wù)的參數(shù)。這種差異降低了 VL-PTM 對下游任務(wù)的適應(yīng)能力。因此，激發(fā) VL-PTM 在下游任務(wù)中的視覺定位能力需要大量標(biāo)記數(shù)據(jù)。

在這篇論文中，受到自然語言處理領(lǐng)域的預(yù)訓(xùn)練語言模型進展啟發(fā)，研究者提出了一種調(diào)整 VL-PTM 的新范式——CPT（ Cross-modal Prompt Tuning 或 Colorful Prompt Tuning）。其中的核心要點是：通過在圖像和文字中添加基于色彩的共指標(biāo)記（co-referential marker），視覺定位可以被重新表述成一個填空題，從而盡可能縮小預(yù)訓(xùn)練和微調(diào)之間的差異。

如圖 1 所示，為了在圖像數(shù)據(jù)中定位自然語言表達，CPT 由兩部分構(gòu)成：一是用色塊對圖像區(qū)域進行唯一標(biāo)記的視覺 sub-prompt；二是將查詢文本放入基于色彩的查詢模板的一個文本 sub-prompt。針對目標(biāo)圖像區(qū)域的顯式定位可以通過從查詢模板中的 masked token 中恢復(fù)對應(yīng)顏色文本來實現(xiàn)。

通過縮小預(yù)訓(xùn)練和微調(diào)之間的差距，本文提出的 prompt tuning 方法使得 VL-PTM 具備了強大的 few-shot 甚至 zero-shot 視覺定位能力。實驗結(jié)果表明，prompted VL-PTMs 顯著超越了它們的 fine-tuned 競爭對手。

本文的貢獻主要體現(xiàn)在兩個方面：

1. 提出了一種用于 VL-PTM 的跨模態(tài) prompt tuning 新范式。研究者表示，據(jù)他們所知，這是 VL-PTM 跨模態(tài) prompt tuning+ zero-shot、few-shot 視覺定位的首次嘗試；

2. 進行了全面的實驗，證明了所提方法的有效性。

CPT 框架細節(jié)

視覺定位的關(guān)鍵是建立圖像區(qū)域和文本表達之間的聯(lián)系。因此，一個優(yōu)秀的跨模態(tài) prompt tuning 框架應(yīng)該充分利用圖像和文本的共指標(biāo)記，并盡可能縮小預(yù)訓(xùn)練和微調(diào)之間的差距。

為此，CPT 將視覺定位重新構(gòu)建為一個填空問題。具體來說，CPT 框架由兩部分構(gòu)成：一是用色塊對圖像區(qū)域進行唯一標(biāo)記的視覺 sub-prompt；二是將查詢文本放入基于色彩的查詢模板的一個文本 sub-prompt。有了 CPT，VL-PTM 可以直接通過用目標(biāo)圖像區(qū)域的彩色文本填充 masked token 來定位查詢文本，目標(biāo)圖像區(qū)域的 objective form 與預(yù)訓(xùn)練相同。

視覺 sub-prompt

給定一個圖像 I 以及它的區(qū)域候選 R = {v_1, v_2, . . . , v_n}，視覺 sub-prompt 旨在用自然視覺標(biāo)記對圖像區(qū)域進行獨特標(biāo)記。有趣的是，研究者注意到，在文獻中，彩色邊界框被廣泛用于對圖像中的對象進行獨特標(biāo)記，以實現(xiàn)可視化。受此啟發(fā)，研究者通過一組顏色 C 來關(guān)聯(lián)圖像區(qū)域和文本表達，其中每種顏色

是由它的視覺外觀

（如 RGB (255, 0, 0)）和顏色文本

（如：red）來定義的。然后他們用一種獨特的顏色

標(biāo)記圖像中的每個區(qū)域候選 v_i，以此來定位，這會產(chǎn)生一組彩色圖像候選Ψ(R; C)，其中 Ψ(·) 表示視覺 sub-prompt。

在實驗中，研究者發(fā)現(xiàn)，用實心塊給目標(biāo)著色比用邊界框效果更好，因為純色目標(biāo)在現(xiàn)實世界的圖像中更為常見（如紅色 T 恤、藍色車）。由于視覺 sub-prompt 被添加到原始圖像中，因此 VL-PTM 的架構(gòu)或參數(shù)不會發(fā)生變化。

文本 sub-prompt

文本 sub-prompt 旨在提示 VL-PTM 建立查詢文本與被視覺 sub-prompt 標(biāo)記的圖像區(qū)域的聯(lián)系。具體來說，此處用一個如下所示的模板 T (·) 將查詢文本 q（如「the horse watched by the woman」）轉(zhuǎn)換為填空查詢：

如此一來，VL-PTM 會被提示決定哪個區(qū)域的顏色更適合填充掩碼（如紅色或黃色），如下所示:

其中，v^* 表示目標(biāo)區(qū)域，

是

在預(yù)訓(xùn)練 MLM head 中的嵌入。需要注意的是，這個過程并沒有引入任何新的參數(shù)，而且還縮小了預(yù)訓(xùn)練和微調(diào)之間的差距，因此提高了 VL-PTM 微調(diào)的數(shù)據(jù)效率。

實驗結(jié)果

在實驗部分，研究者對 CPT 的能力進行了評估，設(shè)置了 zero-shot、few-shot 和全監(jiān)督等多種情況，主要結(jié)果如下表 1 所示：

從表中可以看出：

1. 在 zero-shot 和 few-shot 設(shè)置中，CPT 的性能大大優(yōu)于隨機基線和強微調(diào)基線。例如，使用色塊作為視覺 sub-prompt，在 RefCOCO one shot 中，CPT 絕對準確率提高了 17.3%，相對標(biāo)準差平均降低了 73.8%。這表明 CPT 可以有效地提高 VL-PTM 微調(diào)的數(shù)據(jù)效率，并激發(fā) VL-PTM 的視覺定位潛力。

2. 在視覺 sub-prompts 中用分割掩碼給目標(biāo)著色（CPT-Seg）獲得了比塊（CPT-Blk）更好的結(jié)果。這是因為適合物體輪廓的純色在現(xiàn)實世界的圖像中更常見，這使得 CPT-Seg 成為更自然的視覺 sub-prompt（盡管需要更強的注釋來訓(xùn)練分割工具）。

3. 值得注意的是，CPT 實現(xiàn)的標(biāo)準差明顯小于微調(diào)。例如，在 RefCOCO 評估中，CPT-Blk one-shot 相對標(biāo)準差平均降低了 73.8%。這表明，來自預(yù)訓(xùn)練的連貫微調(diào)方法可以帶來更穩(wěn)定的 few-shot 訓(xùn)練，這是評估 few-shot 學(xué)習(xí)模型的關(guān)鍵因素。

4. 在 RefCOCO + 評估中，CPT-Blk 在 shot 數(shù)為 16 時比微調(diào)表現(xiàn)略差。原因是 RefCOCO + 有更多的基于顏色的表達（比如穿紅色襯衫、戴藍色帽子的人），這會干擾基于顏色的 CPT。然而，這個問題可以通過在全監(jiān)督場景中使用更多的微調(diào)實例來緩解，在這種場景中，模型能夠?qū)W習(xí)如何更好地區(qū)分查詢文本和 promp 模板中的顏色。

5. 在全監(jiān)督的設(shè)置下，CPT 實現(xiàn)了與強微調(diào) VL-PTM 相當(dāng)?shù)男阅?。這表明，即使在全監(jiān)督的場景中，CPT 也是 VL-PTM 的一種有競爭力的調(diào)優(yōu)方法。

綜上所述，與普通的微調(diào)方法相比，CPT 在 zero-shot、few-shot 和全監(jiān)督的視覺定位任務(wù)中都實現(xiàn)了與之相當(dāng)或更優(yōu)越、更穩(wěn)定的性能。

更多細節(jié)請參見論文。

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