在現(xiàn)代社會(huì)，信息傳遞和交流不再局限于單一模態(tài)。我們生活在一個(gè)多模態(tài)的世界里，聲音、視頻、文字和深度圖等模態(tài)信息相互交織，共同構(gòu)成了我們豐富的感知體驗(yàn)。這種多模態(tài)的信息交互不僅存在于人類社會(huì)的溝通中，同樣也是機(jī)器理解世界所必須面對(duì)的挑戰(zhàn)。

如何讓機(jī)器像人類一樣理解和處理這種多模態(tài)的數(shù)據(jù)，成為了人工智能領(lǐng)域研究的前沿問(wèn)題。

在過(guò)去的十年里，隨著互聯(lián)網(wǎng)和智能設(shè)備的普及，視頻內(nèi)容的數(shù)量呈爆炸式增長(zhǎng)。視頻平臺(tái)如 YouTube、TikTok 和 Bilibili 等匯聚了億萬(wàn)用戶上傳和分享的視頻內(nèi)容，涵蓋了娛樂(lè)、教育、新聞報(bào)道、個(gè)人日志等各個(gè)方面。如此龐大的視頻數(shù)據(jù)量為人類提供了前所未有的信息和知識(shí)。為了解決這些視頻理解任務(wù)，人們采用了視頻 - 語(yǔ)言（VL）預(yù)訓(xùn)練方法，將計(jì)算機(jī)視覺(jué)和自然語(yǔ)言處理結(jié)合起來(lái)，這些模型能夠捕捉視頻語(yǔ)義并解決下游任務(wù)。

然而，目前的 VL 預(yù)訓(xùn)練方法通常僅適用于視覺(jué)和語(yǔ)言模態(tài)，而現(xiàn)實(shí)世界中的應(yīng)用場(chǎng)景往往包含更多的模態(tài)信息，如深度圖、熱圖像等。如何整合和分析不同模態(tài)的信息，并且能夠在多個(gè)模態(tài)之間建立準(zhǔn)確的語(yǔ)義對(duì)應(yīng)關(guān)系，成為了多模態(tài)領(lǐng)域的一個(gè)新的挑戰(zhàn)。

為了應(yīng)對(duì)這一難題，北大與騰訊的研究人員提出了一種新穎的多模態(tài)對(duì)齊框架 ——LanguageBind。與以往依賴圖像作為主導(dǎo)模態(tài)的方法不同，LanguageBind 采用語(yǔ)言作為多模態(tài)信息對(duì)齊的紐帶。

• 論文地址：https://arxiv.org/pdf/2310.01852.pdf
• GitHub 地址：https://github.com/PKU-YuanGroup/LanguageBind
• Huggingface 地址：https://huggingface.co/LanguageBind

語(yǔ)言因其內(nèi)在的語(yǔ)義豐富性和表現(xiàn)力，被賦予了整合和引導(dǎo)其他模態(tài)信息對(duì)齊的能力。在這個(gè)框架下，語(yǔ)言不再是附屬于視覺(jué)信息的標(biāo)注或說(shuō)明，而是成為了聯(lián)合視覺(jué)、音頻和其他模態(tài)的中心通道。

LanguageBind 通過(guò)將所有模態(tài)的信息映射到一個(gè)統(tǒng)一的語(yǔ)言導(dǎo)向的嵌入空間，實(shí)現(xiàn)了不同模態(tài)之間的語(yǔ)義對(duì)齊。這種對(duì)齊方法避免了通過(guò)圖像中介可能引入的信息損失，提高了多模態(tài)信息處理的準(zhǔn)確性和效率。更重要的是，這種方法為未來(lái)的擴(kuò)展提供了靈活性，允許簡(jiǎn)單地添加新的模態(tài)，而無(wú)需重新設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)。

此外，該研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了 VIDAL-10M 數(shù)據(jù)集，這是一個(gè)大規(guī)模、包含多模態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)的數(shù)據(jù)集。

VIDAL-10M 涵蓋了視頻 - 語(yǔ)言、紅外 - 語(yǔ)言、深度 - 語(yǔ)言和音頻 - 語(yǔ)言配對(duì)，以確保跨模態(tài)的信息是完整且一致的。通過(guò)在該數(shù)據(jù)集上進(jìn)行訓(xùn)練，LanguageBind 在視頻、音頻、深度和紅外等 15 個(gè)廣泛的基準(zhǔn)測(cè)試中取得了卓越的性能表現(xiàn)。

方法介紹

在多模態(tài)信息處理領(lǐng)域，主流的對(duì)齊技術(shù)，如 ImageBind，主要依賴圖像作為橋梁來(lái)實(shí)現(xiàn)不同模態(tài)之間的間接對(duì)齊。這種方法在對(duì)其他模態(tài)和語(yǔ)言模態(tài)的對(duì)齊上可能會(huì)導(dǎo)致性能次優(yōu)化，因?yàn)樗枰獌刹睫D(zhuǎn)換過(guò)程 —— 首先是從目標(biāo)模態(tài)到圖像模態(tài)，然后是從圖像模態(tài)到語(yǔ)言模態(tài)。這種間接對(duì)齊可能導(dǎo)致語(yǔ)義信息在轉(zhuǎn)換過(guò)程中的衰減，從而影響最終的性能表現(xiàn)。

針對(duì)這一問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)提出了一種名為 LanguageBind 的多模態(tài)語(yǔ)義對(duì)齊預(yù)訓(xùn)練框架。該框架摒棄了依賴圖像作為中介的傳統(tǒng)模式，而是直接利用語(yǔ)言模態(tài)作為不同模態(tài)之間的紐帶。語(yǔ)言模態(tài)因其天然的語(yǔ)義豐富性，成為連接視覺(jué)、音頻、深度等模態(tài)的理想選擇。LanguageBind 框架通過(guò)利用對(duì)比學(xué)習(xí)機(jī)制，將不同模態(tài)的數(shù)據(jù)映射到一個(gè)共享的語(yǔ)義嵌入空間中。在這個(gè)空間里，不同模態(tài)的信息可以直接進(jìn)行語(yǔ)義層面的理解與對(duì)齊。

LanguageBind 概覽圖

具體而言，LanguageBind 通過(guò)錨定語(yǔ)言模態(tài)，采用一系列優(yōu)化的對(duì)比學(xué)習(xí)策略，對(duì)多模態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練。這一過(guò)程中，模型學(xué)習(xí)將來(lái)自不同模態(tài)的數(shù)據(jù)編碼到與語(yǔ)言模態(tài)相兼容的表征中，確保了模態(tài)間的語(yǔ)義一致性。這種直接的跨模態(tài)語(yǔ)義對(duì)齊避免了傳統(tǒng)方法中的性能損失，同時(shí)提高了模型在下游多模態(tài)任務(wù)中的泛化能力和適用性。

LanguageBind 框架的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其擴(kuò)展性。由于直接使用語(yǔ)言作為核心對(duì)齊模態(tài)，當(dāng)引入新的模態(tài)時(shí)，無(wú)需重構(gòu)整個(gè)對(duì)齊機(jī)制，只需通過(guò)相同的對(duì)比學(xué)習(xí)過(guò)程，將新模態(tài)的數(shù)據(jù)映射到已經(jīng)建立的語(yǔ)言導(dǎo)向嵌入空間。這使得 LanguageBind 不僅適用于現(xiàn)有的模態(tài)，也能輕松適應(yīng)未來(lái)可能出現(xiàn)的新模態(tài)，為多模態(tài)預(yù)訓(xùn)練技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)集介紹

在跨模態(tài)預(yù)訓(xùn)練領(lǐng)域，數(shù)據(jù)集的構(gòu)建及其質(zhì)量對(duì)于預(yù)訓(xùn)練模型的性能與應(yīng)用效能具有決定性影響。傳統(tǒng)的多模態(tài)數(shù)據(jù)集大多局限于二模態(tài)或三模態(tài)的配對(duì)數(shù)據(jù)，這種限制導(dǎo)致了對(duì)更豐富模態(tài)對(duì)齊數(shù)據(jù)集的需求。

因而，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了 VIDAL-10M 數(shù)據(jù)集，這是一個(gè)創(chuàng)新的五模態(tài)數(shù)據(jù)集，包含了視頻 - 語(yǔ)言（VL）、紅外 - 語(yǔ)言（IL）、深度 - 語(yǔ)言（DL）、音頻 - 語(yǔ)言（AL）等數(shù)據(jù)對(duì)。每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)都經(jīng)過(guò)了精心的質(zhì)量篩選，旨在為跨模態(tài)預(yù)訓(xùn)練領(lǐng)域提供一個(gè)高品質(zhì)、高完整性的訓(xùn)練基礎(chǔ)。

VIDAL-10M 數(shù)據(jù)集示例

VIDAL-10M 數(shù)據(jù)集的構(gòu)建主要包括三步：

1. 視覺(jué)相關(guān)搜索詞庫(kù)構(gòu)建。設(shè)計(jì)一種創(chuàng)新的搜索詞獲取策略，該策略綜合利用了各類視覺(jué)任務(wù)數(shù)據(jù)集中的文本信息，如標(biāo)簽和標(biāo)題，以構(gòu)建一個(gè)豐富視覺(jué)概念且多樣化的視頻數(shù)據(jù)集，從而增強(qiáng)了數(shù)據(jù)多樣性和覆蓋度。
2. 視頻和音頻數(shù)據(jù)的收集、清洗與篩選：在數(shù)據(jù)的收集過(guò)程中，該研究采取了基于文本、視覺(jué)和音頻內(nèi)容的多種過(guò)濾機(jī)制，這些機(jī)制確保收集到的視頻和音頻數(shù)據(jù)與搜索詞高度相關(guān)，并且滿足高標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量要求。這一步驟是確保數(shù)據(jù)集質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它直接影響模型訓(xùn)練的效果和后續(xù)任務(wù)的性能。
3. 紅外、深度模態(tài)數(shù)據(jù)生成與多視角文本增強(qiáng)。此階段，利用多種先進(jìn)的生成模型技術(shù)合成了紅外和深度模態(tài)數(shù)據(jù)，并對(duì)文本內(nèi)容進(jìn)行了多角度的生成和增強(qiáng)。多視角文本增強(qiáng)包括了標(biāo)題、標(biāo)簽、關(guān)鍵幀描述、視頻概要等多個(gè)維度，它為視頻內(nèi)容提供了全面且細(xì)致的描述，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的語(yǔ)義豐富性和描述的細(xì)粒度。

 VIDAL-10M 數(shù)據(jù)集的構(gòu)建過(guò)程

實(shí)驗(yàn)

LanguageBind 框架被應(yīng)用于多個(gè)模態(tài)的零樣本分類任務(wù)，并與其他模型進(jìn)行了性能比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，LanguageBind 方法在包括視頻、音頻、深度圖像、熱成像等多模態(tài)數(shù)據(jù)上的 15 個(gè)零樣本分類與檢索任務(wù)中均展示了顯著的性能提升。這些實(shí)驗(yàn)成果強(qiáng)調(diào)了 LanguageBind 方法在理解和處理不同模態(tài)數(shù)據(jù)中的潛在能力，尤其是在沒(méi)有先前樣本可供學(xué)習(xí)的情況下。為了更深入地了解 LanguageBind 方法的性能，可以參照以下詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表 2 顯示，LanguageBind 的性能在 MSR-VTT 上超過(guò) VideoCoca 和 OmniVL ，盡管僅使用 300 萬(wàn)個(gè)視頻 - 文本對(duì)。

在兩個(gè)經(jīng)典數(shù)據(jù)集 MSR-VTT 和 MSVD 上進(jìn)行的零樣本視頻 - 文本檢索實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 3 所示：

該研究還將本文模型與 SOTA 多模態(tài)預(yù)訓(xùn)練模型 OpenCLIP、ImageBind 在多模態(tài)理解任務(wù)上進(jìn)行了比較，結(jié)果如表 4 所示：

表 5 比較了在 Clotho 數(shù)據(jù)集和 Audiocaps 數(shù)據(jù)集上的零樣本文本 - 音頻檢索性能：