CLIP | 训练过程中图像特征和文本特征的在嵌入空间中的对齐(两个投影矩阵的学习)

在多模态学习（Multimodal Learning）中，投影矩阵 $W_i$ 和 $W_t$ 是通过训练过程学习得到的。它们的作用是将图像特征 $I_f$ 和文本特征 $T_f$ 映射到一个共享的嵌入空间（embedding space），使得不同模态的数据可以在这个空间中进行有效的比较和对齐。

学习投影矩阵的过程

1. 初始化

在训练开始之前，投影矩阵$W_i$ 和$W_t$通常会随机初始化。这些矩阵的初始值通常是小的随机数，这样可以避免梯度消失或爆炸的问题。

2. 训练过程

投影矩阵$W_i$ 和$W_t$是通过反向传播（Backpropagation）和梯度下降（Gradient Descent）进行学习的。具体步骤如下：

1. 前向传播（Forward Pass）：

   • 使用图像编码器$\text{image\_encoder}$ 提取图像特征$I_f$。
   • 使用文本编码器$\text{text\_encoder}$ 提取文本特征$T_f$。
   • 将图像特征$I_f$通过投影矩阵$W_i$映射到嵌入空间，得到图像嵌入$I_e$。
   • 将文本特征$T_f$通过投影矩阵$W_t$映射到嵌入空间，得到文本嵌入$T_e$。

   I_f = image_encoder(I)  # [n, d_i]
   T_f = text_encoder(T)  # [n, d_t]
   I_e = l2_normalize(np.dot(I_f, W_i), axis=1)  # [n, d_e]
   T_e = l2_normalize(np.dot(T_f, W_t), axis=1)  # [n, d_e]
   

2. 计算相似度和损失函数：

   • 计算图像嵌入和文本嵌入之间的相似度矩阵$\text{logits}$。
   • 使用交叉熵损失函数计算图像和文本的对齐损失。

   logits = np.dot(I_e, T_e.T) * np.exp(t)  # [n, n]
   labels = np.arange(n)
   loss_i = cross_entropy_loss(logits, labels, axis=0)
   loss_t = cross_entropy_loss(logits, labels, axis=1)
   loss = (loss_i + loss_t) / 2
   

3. 反向传播（Backward Pass）：

   • 计算损失函数$\text{loss}$关于投影矩阵$W_i$和$W_t$的梯度。
   • 使用梯度下降更新投影矩阵$W_i$和$W_t$。

   # 假设我们使用的是某种优化器，如 Adam
   optimizer.zero_grad()
   loss.backward()
   optimizer.step()
   

3. 更新规则

在每次迭代中，投影矩阵$W_i$和$W_t$会根据计算得到的梯度进行更新。更新规则通常如下：

$W_i\leftarrow W_i-\alpha \cdot \frac{\partial \text{loss}}{\partial W_i}$

$W_t\leftarrow W_t-\alpha \cdot \frac{\partial \text{loss}}{\partial W_t}$

其中，$\alpha$ 是学习率（learning rate），是一个超参数，控制每次更新的步长。

4. 训练目标

训练的目标是使得相似的图像和文本在嵌入空间中更接近，不相似的图像和文本更远离。通过最小化损失函数$\text{loss}$，投影矩阵$W_i$和$W_t$逐渐学习到如何将图像和文本特征映射到一个合适的嵌入空间。

5. 训练结束

经过若干次迭代后，投影矩阵$W_i$和$W_t$会收敛到一个相对稳定的状态。此时，它们能够有效地将图像和文本特征映射到一个共享的嵌入空间，使得不同模态的数据可以在这个空间中进行有效的比较和对齐。

总结

投影矩阵$W_i$和$W_t$是通过训练过程学习得到的。它们的初始值通常是随机的，然后通过反向传播和梯度下降进行更新。训练的目标是最小化图像和文本嵌入之间的对齐损失，使得相似的图像和文本在嵌入空间中更接近，不相似的图像和文本更远离。