[Journal club] Sigmoid Loss for Language Image Pre-Training

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1. Sigmoid Loss for Language Image Pre-Training Xiaohua Zhai⋆, Basil Mustafa, Alexander Kolesnikov, Lucas Beyer⋆ Google DeepMind 慶應義塾大学 杉浦孔明研究室 小槻誠太郎 X. Zhai, B. Mustafa, A. Kolesnikov, and L. Beyer, “Sigmoid Loss for Language Image Pre-Training,” in ICCV, 2023, pp. 11975–11986. ICCV’23 Oral
2. CLIPはスケールしにくい CLIPなどの対比損失ベースのVision-Language Pretraining手法に代わる Sigmoid関数に基づいた新しい損失関数を提案 複数のデバイスに分散させて並列化しやすい 上記の損失関数の, 効率的なマルチデバイス実装を提案 CLIPなどの既存手法よりスケールしやすく, batch sizeが小さい設定でも大きい設定でも既存手法を上回る 大規模マルチモーダルデータセットで問題となるラベルのノイズにも頑健 2 SUMMARY – SigLIP, SigLiT
3. CLIP: 画像-テキスト対の大規模 データセットから対照学習で 画像特徴量とテキスト特徴量を 同じ空間に埋め込むモデルを獲得 LiT: 単一モダリティで事前学習済みの モデルから学習するCLIP 画像モデルを固定してテキスト エンコーダをゼロから学習 するのが実験的にベスト 3 背景・前提 – CLIP [Radford+, ICML’21], LiT [Zhai+, CVPR’22]
4. 4 関連研究 – CLIPに代表されるVision-Language Pretraining 対比損失を用いるCLIPの改良・派生手法が多数 公開データセット・モデルも複数出現 手法 概要 LAION-5B [Schuhmann+, ‘22] 大規模な画像-テキスト対データセットを公開 WIT [Srinivasan+, ‘21] Wikipediaベースの大規模な画像-テキスト対 データセット (マルチモーダル, 多言語, 公開) OpenCLIP [Ilharco+, ‘21] 公開データセット上で学習されたCLIP実装 BLIP [Li+, ICML’22] Captioning, filteringによってbootstrapに detasetをクリーニングしつつ学習
5. 5 動機 – CLIPはスケールしにくい 損失関数の定式化: 複数デバイスにバッチ内の計算を分散させにくい形 分母にあるバッチ全体にまたがる総和が邪魔！ 例えばgradient accumulation は簡単ではない． できないわけではないが, 複雑 な操作が必要だったり
6. 新規性 CLIPのような Vision-Language Pretraining のための損失関数として, Sigmoid関数に基づいた新しい損失関数を提案 複数のデバイスに分散させて並列化しやすい à スケールしやすい 上記の損失関数の, 効率的なマルチデバイス実装を提案 6 提案 – SigLIP, SigLiT
7. 各 i,j-pair について独立に計算可能 7 SigLIP, SigLiT – Sigmoid関数に基づいた損失関数で学習
8. 各 i,j-pair について独立に計算可能 8 SigLIP, SigLiT – Sigmoid関数に基づいた損失関数で学習 別にバッチ全体で対比損失を考えなくても positive pairはcosine類似度 = 1, negative pairはcosine類似度 = -1 に近づけば良い
9. 各 i,j-pair について独立に計算可能 9 SigLIP, SigLiT – Sigmoid関数に基づいた損失関数で学習 データの事前分布を加味 (#Negative >> #positive) バイアス項を導入, b=-10で初期化 別にバッチ全体で対比損失を考えなくても positive pairはcosine類似度 = 1, negative pairはcosine類似度 = -1 に近づけば良い
10. 10 SigLIP, SigLiT – 効率的なマルチデバイス実装が可能 batch size: 12,デバイス x3 の例 CLIPの単純な実装では一つの画像 特徴量に対して全てのテキスト特徴量 を同時にメモリに載せる必要がある. 要求メモリサイズがbatch size依存 à スケールしにくい Device 1 Device 2 Device 3 I₁ I₂ I₃ I₄ I₅ I₆ I₇ I₈ I₉ I₁₀ I₁₁ I₁₂ Device 1 T₁ T₂ T₃ T₄ Device 2 T₅ T₆ T₇ T₈ Device 3 T₉ T₁₀ T₁₁ T₁₂
11. 11 SigLIP, SigLiT – 効率的なマルチデバイス実装が可能 batch size: 12,デバイス x3 の例 黄色でハイライトした箇所のみ メモリに載せる まず対角線上のペアについて 3デバイスに分散させて並列計算 Device 1 Device 2 Device 3 I₁ I₂ I₃ I₄ I₅ I₆ I₇ I₈ I₉ I₁₀ I₁₁ I₁₂ Device 1 T₁ + – – – T₂ – + – – T₃ – – + – T₄ – – – + Device 2 T₅ + – – – T₆ – + – – T₇ – – + – T₈ – – – + Device 3 T₉ + – – – T₁₀ – + – – T₁₁ – – + – T₁₂ – – – + ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ loss 33% 33% 33% 33% 33% 33% 33% 33% 33% 33% 33% 33% Device 1 Device 2 Device 3
12. 12 SigLIP, SigLiT – 効率的なマルチデバイス実装が可能 batch size: 12,デバイス x3 の例 黄色でハイライトした箇所のみ メモリに載せる 各デバイスが持つテキスト特徴量を 隣のデバイスに送り, 同様に計算 Device 1 Device 2 Device 3 I₁ I₂ I₃ I₄ I₅ I₆ I₇ I₈ I₉ I₁₀ I₁₁ I₁₂ Device 3 T₁ ✓ ✓ ✓ ✓ – – – – T₂ ✓ ✓ ✓ ✓ – – – – T₃ ✓ ✓ ✓ ✓ – – – – T₄ ✓ ✓ ✓ ✓ – – – – Device 1 T₅ – – – – ✓ ✓ ✓ ✓ T₆ – – – – ✓ ✓ ✓ ✓ T₇ – – – – ✓ ✓ ✓ ✓ T₈ – – – – ✓ ✓ ✓ ✓ Device 2 T₉ – – – – ✓ ✓ ✓ ✓ T₁₀ – – – – ✓ ✓ ✓ ✓ T₁₁ – – – – ✓ ✓ ✓ ✓ T₁₂ – – – – ✓ ✓ ✓ ✓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ loss 66% 66% 66% 66% 66% 66% 66% 66% 66% 66% 66% 66% Device 1 Device 2 Device 3
13. 13 SigLIP, SigLiT – 効率的なマルチデバイス実装が可能 batch size: 12,デバイス x3 の例 黄色でハイライトした箇所のみ メモリに載せる 操作を繰り返して全体を計算し, デバイスごとに計算した値の 総和を取る Device 1 Device 2 Device 3 I₁ I₂ I₃ I₄ I₅ I₆ I₇ I₈ I₉ I₁₀ I₁₁ I₁₂ Device 2 T₁ ✓ ✓ ✓ ✓ – – – – ✓ ✓ ✓ ✓ T₂ ✓ ✓ ✓ ✓ – – – – ✓ ✓ ✓ ✓ T₃ ✓ ✓ ✓ ✓ – – – – ✓ ✓ ✓ ✓ T₄ ✓ ✓ ✓ ✓ – – – – ✓ ✓ ✓ ✓ Device 3 T₅ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ – – – – T₆ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ – – – – T₇ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ – – – – T₈ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ – – – – Device 1 T₉ – – – – ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ T₁₀ – – – – ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ T₁₁ – – – – ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ T₁₂ – – – – ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ loss ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ Device 1 Device 2 Device 3 ↘ ↓ ↙ Cross Device Σ
14. Device 1 Device 2 Device 3 I₁ I₂ I₃ I₄ I₅ I₆ I₇ I₈ I₉ I₁₀ I₁₁ I₁₂ Device 1 T₁ + – – – T₂ – + – – T₃ – – + – T₄ – – – + Device 2 T₅ + – – – T₆ – + – – T₇ – – + – T₈ – – – + Device 3 T₉ + – – – T₁₀ – + – – T₁₁ – – + – T₁₂ – – – + ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ loss 33% 33% 33% 33% 33% 33% 33% 33% 33% 33% 33% 33% Device 1 Device 2 Device 3 14 SigLIP, SigLiT – 効率的なマルチデバイス実装が可能 batch size: 12,デバイス x3 の例 黄色でハイライトした箇所のみ メモリに載せる デバイスごとの要求メモリサイズ はbatch sizeに依存しない Batch sizeが増加しても デバイスを増やせばデバイスごとの メモリ使用量を落とせる
15. 15 定量的結果 – 同サイズのモデルで既存手法を上回る0-shot性能 ImageNet, ObjectNet, ImageNetv2, ImageNet ReaL の 0-shot acc. COCOの検索タスクにおける 0-shot recall@1 (Image2Text, Text2Image)
16. SigLiT: Vision: ViT-g (pretrained+frozen) Text: From scratch LiT image-text dataset SigLIP: B/16 ViT B-sized transformer WebLI dataset (Eng.) mSigLIP (multilingual) B-sized ViT B-sized text models WebLI dataset (100 lang.) #sample: 900M 16 定量的結果 – 既存手法を上回る / Batch sizeは32k程度でサチる ) ) ( ) ) ) ) - 0-shot acc. on ImageNet Recall@1 on crossmodal 3600 dataset 0-shot acc. on ImageNet
17. 前提: 多クラス分類を複数の2値分類の集合として扱い, sigmoid関数を 使うと, ラベルのノイズに頑健になることが知られている [Beyer+, ‘20] 実際にわざとラベルを確率pで破壊した時, 従来のCLIPのような損失関数を使用するよりも提案手法の方が頑健 17 定量的結果 – ラベルのノイズに頑健
18. CLIPはスケールしにくい CLIPなどの対比損失ベースのVision-Language Pretraining手法に代わる Sigmoid関数に基づいた新しい損失関数を提案 複数のデバイスに分散させて並列化しやすい 上記の損失関数の, 効率的なマルチデバイス実装を提案 CLIPなどの既存手法よりスケールしやすく, batch sizeが小さい設定でも大きい設定でも既存手法を上回る 大規模マルチモーダルデータセットで問題となるラベルのノイズにも頑健 18 SUMMARY – SigLIP, SigLiT
19. Strength 提案がシンプルかつ強力 実験が豊富 (Resultsのsubsectionが10個, 使用しているデータセットも複数.) Weakness Table 4の内容はバイアス項に関する主張を十分に裏付けられていない気がする. 最終的な性能を比較するだけだと本当に初期の挙動に作用したのかわからない. その他 なんだかんだ言ってtransformerは大文字始まりなことが多かった気がするが, 小文字始まりになっている (と思いきや大文字始まりも混じっている) > B-sized transformer for text embeddings 19 おきもち
20. Appendix è è è Ablation study, PaLI-3, etc.
21. バイアス項を-10で初期化することで一貫して性能向上 実験: SigLIP setup 1. Base architecture 2. 8k batch size 3. Trained for 900M examples 21 Ablation study – バイアス項と温度パラメータの初期化
22. Use 2B SigLIP Vision model to obtain visual feature. Encode & decode visual features & text embeddings by 3B UL2. SMALLER, FASTER, STRONGER 22 PaLI-3
23. Vocab. sizeが大きいと単語埋め込みに必要な行列が巨大化🤮 ( 特に multilingual 設定など ) [Vocab. size] x [embedding dimension of the text model] 2つの行列を用意して一度低次元空間に写像してから戻すことで 必要なパラメータ数を削減😄 23 Bottlenecked token embedding F2 : RK à RW F1 : RN à RK Vocab size: N Embedding dim.: W
24. Paper: https://openaccess.thecvf.com/content/ICCV2023/papers/ Zhai_Sigmoid_Loss_for_Language_Image_Pre-Training_ICCV_2023_paper.pdf Impl., models: https://github.com/google-research/big_vision https://huggingface.co/timm/ViT-B-16-SigLIP PaLI-3: (ICLR 2024 Conference Submission) https://openreview.net/forum?id=JpyWPfzu0b https://arxiv.org/abs/2310.09199 24 Links