知识引导上下文优化（KgCoOp）：一种解决灾难性遗忘的 Prompt Tuning 机制

来源DeepHub IMBA 本文约3000字建议阅读5分钟本文提出了一种简单有效的约束机制。视觉-语言模型VLMs如 CLIP 彻底改变了零样本图像识别的处理方式。这类模型在包含 4 亿个图像-文本对的大规模数据集上进行训练捕获了海量通用知识具备了识别未被明确训练过对象的能力。当尝试通过 Prompt Tuning 过程将这些全能型模型适配到特定下游任务时通常会遇到瓶颈。这是因为模型在特定任务上变成了专家却不可避免地牺牲了原有的基础智能这种现象在业内被称为 Base-to-New 泛化困境。论文《Visual-Language Prompt Tuning with Knowledge-guided Context Optimization》KgCoOp深入研究了这一问题提出了一种简单有效的约束机制。现代机器学习系统经常被部署在不断有新类别出现的环境中。如果一个模型只能在已知类别上保持高准确率面对新类别时却表现糟糕其在实际工程应用中的可靠性就会大打折扣。提高对未见类别的泛化能力是构建泛化的视觉-语言系统的必由之路。Knowledge-guided Context OptimizationKgCoOp框架概述展示了如何使用知识引导损失对可学习 Prompt 进行正则化以保持泛化能力。为什么 CoOp 在未见类别上失败Prompt Tuning 的具体实现之一 Context OptimizationCoOp用可学习的上下文向量替代了固定的手工模板如 a photo of a [Class]。这种微调方式拉升了模型在训练期见过的 Base 类别上的表现随之而来的却是灾难性知识遗忘。在少量标注样本上微调时模型会学习到仅对这些特定类别有判别性的文本知识从而严重偏离其他所有类别。跨 11 个基准测试的实证数据揭示了一个明显的趋势——标准微调CoOp虽然提升了 Base 准确率却把新类别上的性能压低到了不仅不及预期甚至低于原始零样本模型的水准。零样本 vs. 标准微调的性能对比Data averaged across 11 benchmarks using ViT-B/16.遗忘的几何学新类别性能损失的程度▽new与可学习 Prompt 嵌入wcoop)和原始手工 CLIP 嵌入wclip)之间的欧几里得距离直接一致。Base-to-New 泛化对比显示标准 Prompt Tuning 提高了已见类别的性能但降低了未见类别的准确率。学习到的 Prompt 与手工 Prompt 之间的距离越大未见类别上的性能退化越严重。在 DTD纹理和 EuroSAT卫星影像等数据集中学习到的 Prompt 偏离 CLIP 锚点最远泛化差距也最为悬殊。如果能将可学习 Prompt 限制在原始通用知识的附近就可以维持原有的泛化能力。Knowledge-guided Context OptimizationKgCoOpKgCoOp 引入了一种新的正则化框架。该框架不再允许 Prompt 在优化过程中自由漂移专门加入了一个知识引导损失(Lkg)专门用于最小化可学习 Prompt 与手工 Prompt 之间的差距。A. 前置知识 - CLIP 和 CoOp零样本 CLIP 中图像嵌入x和类别y的预测概率p(y|x)计算方式为其中d(x,__wy^__clip)代表余弦相似度(w^__clip)代表来自手工模板的嵌入。CoOp 将这些模板替换为M个可学习的上下文向量V {v1, v2, …, vM }此时 Prompt 变为ti^coop {v1 , v2 , ..., vM , ci }ci为类别 Token。B. KgCoOp 公式KgCoOp 提出减少可学习 Prompt 与手工 Prompt 之间的物理距离能够有效缓解底层知识的遗忘。其训练目标是在标准交叉熵损失(Lce)的基础上叠加这一新约束其中引入的知识引导损失(Lkg)定义为微调后的嵌入wi与 CLIP 锚点 (wi^clip)之间的均方欧几里得距离在最小化这个距离的过程中KgCoOp 强制模型在针对当前任务进行参数优化的同时记住其通用预训练特征。实验设置与基准测试相关指标在 11 个多样化的图像分类基准上对 KgCoOp 进行了评估实验骨干网络选用 ResNet-50 和 ViT-B/16测试条件主要设定为 16-shot。覆盖的数据集包含了 ImageNet、Caltech101 等通用对象OxfordPets、StanfordCars、Flowers102、Food101、FGVCAircraft 等细粒度类别以及 EuroSAT卫星影像、UCF101动作识别、DTD纹理、SUN397场景等专业领域。Comparison in the base-to-new setting with different K-shot samples in terms of the average performance among all 11 datasets and backbones(ViT-B/16 and ResNet-50)测试结果显示KgCoOp 在所有参测设置的平均统计中取得了最高的调和均值。ProGrad 在 Base 类别上确实表现更好但在处理新类别时与 KgCoOp 存在量级差异。具体到 ViT-B/16 骨干网络配合 16 个样本的场景下KgCoOp 把新类别的准确率相较于 CoOp 基线拉高了 5.61%比 CoCoOp 也高出 1.91%。这一数据佐证了 KgCoOp 较好地平衡了任务特定性能与通用性基本化解了 Base-Novel 困境。应对 Base-to-New 挑战工程上的核心诉求是在不牺牲 Base已见类别准确率的前提下尽可能挖掘 New未见类别的性能潜力。采用 ViT-B/16 前置配合 16-shotKgCoOp 在新类别准确率指标上相对标准 CoOp 基线提升了 5.61%。综合 11 个数据集的数据KgCoOp 测得 77.0% 的调和均值峰值压制了 CoCoOp75.83%和 ProGrad76.16%等路线。在 EuroSAT、UCF101 这类特征专业性较强的数据集上KgCoOp 也在 8 个基准中拿到了新类别的最高分。领域泛化场景中的表现领域泛化DG主要用于测试类别标签恒定但数据源发生分布偏移时模型展现出的抵抗衰减能力。实验流程上先使用 16-shot 样本在标准 ImageNet 集中进行训练随后转至四个分布外的变体集ImageNetV2、ImageNet-Sketch、对抗样本集 ImageNet-A 和渲染集 ImageNet-R中跑评估。Comparison of prompt learning in the domain generalization with 16-shot source samples where vp and tp denote the visual prompting and textual prompting, respectively.效率与泛化的指标分解超参数 λ 的敏感度表现。定量分析揭示出一个直接规律增大 λ 可以减小 Lkg 距离迫使学习得到的 Prompt 进一步贴近手工 Prompt。距离收窄带动的调和均值拉升在 λ8.0 时见顶。继续加大 λ 会让约束变得过于苛刻反而阻断了模型对当前任务特有判别特征的吸收引发指标回落。只要约束在一个合理的区间内最小化学习知识与通用知识间的偏差确实是保持未见领域泛化水位的主力手段。计算开销与训练耗时比对。计算嵌入空间的欧几里得距离带来的算力开销微乎其微。CoCoOp 因为需要给每一个实例单独生成图像条件的上下文速度慢了将近 26 倍160 ms/image。ProGrad 要计算梯度并为每次参数更新做对齐检查耗时同样居高不下22 ms/image。相比之下KgCoOp 的吞吐量达到了 6m/s基本做到了用最低的时间成本换取第一梯队的精度。Lkg 项在现有框架里的兼容性。Lkg 约束不是一个孤立的技巧它完全可以作为插件融合到其他的 Prompt Tuning 架构当中。从 ViT-B/16 的训练时间与性能表可以看出外挂知识引导约束后CoCoOp 和 ProGrad 的新类别性能和调和均值都出现了一致的上扬。CoCoOp 叠加 Lkg 后新类别准确率从 71.69% 升至 74.75%调和均值涨了 0.49%。ProGrad 叠加 Lkg 后新类别准确率从 70.75% 升至 74.72%调和均值由 76.16% 爬到 76.63%。针对标准文本 Prompt Tuning 发现的灾难性遗忘已被证实是跨网络架构的底层通病而 KgCoOp 这一套逻辑具备横向拓展到更多 Prompt 体系落地应用的潜力。上下文长度的影响因素。为了对标现有的基线实验虽然把上下文长度 M4 作为了默认测试标准但在消融分析中发现把长度设定为 8 个 Token能在已见和未见类别上挤出更大的性能空间。如果有算力支撑稍长的序列长度这是一个低成本的性能调优发力点。Effect of contect lengthEffect of Initialization局限探讨KgCoOp 在提拉未见类别泛化能力的同时依然面临着稳定性与适应性博弈的老问题。给知识引导约束加码未见类别的评分会变好看但已见类别的上限往往会被压低几分。这种此消彼长折射出一个硬约束的副作用限定了学习到的 Prompt 与原始 CLIP 表征的物理距离扼杀了过拟合的风险也削弱了模型向特定偏门场景彻底倾斜的灵活性。引入超参数 λ 意味着多了一层调参负担。设定偏差轻则导致欠拟合重则让 Prompt 机制的自适应能力名存实亡。总结自动匹配约束强度的机制依然是工程界亟待攻克的盲区。未来的迭代如果尝试引入数据驱动的超参数自适应模型在稳定性和灵活性之间的切换将更加从容。调整乃至约束本身跟基础模型的参数优化处于同等地位。KgCoOp 提供了一套务实的调优路径参考清单。面对基座模型首要动作是跑通零样本基线摸清泛化指标的绝对谷底在哪。在遇到硬件算力瓶颈或是延迟卡控严格的生产环境KgCoOp 是直接拿来保底的降本方案。调试期间密切监测期望校准误差ECE可以规避 Lkg 约束过重引发的概率输出欠置信。维护微调参数与源知识的几何对齐关系是一套经过验证的轻量级技法仅凭一个欧几里得距离损失便兜住了在新领域的下限摆脱了对新样本增量数据的过度依赖。by Gauri Kosurkar编辑文婧关于我们数据派THU作为数据科学类公众号背靠清华大学大数据研究中心分享前沿数据科学与大数据技术创新研究动态、持续传播数据科学知识努力建设数据人才聚集平台、打造中国大数据最强集团军。新浪微博数据派THU微信视频号数据派THU今日头条数据派THU