CV方向多模态融合有哪些好的paper？

在计算机视觉（CV）领域，多模态融合的研究正如火如荼，旨在让模型能够理解和处理来自不同来源（如图像、文本、音频、深度信息等）的数据，从而获得更全面、更深入的视觉理解能力。以下是一些在CV多模态融合领域具有重要影响力和代表性的论文，我会尽可能详细地介绍它们的核心思想、创新点以及为何它们在业界受到推崇，并尽量用自然的语言来阐述，避免AI痕迹。

1. 文本图像检索与生成：CLIP (Contrastive Language–Image Pretraining)

论文标题: "Learning Transferable Visual Models From Natural Language Supervision"
作者: Alec Radford, Jong Wook Kim, Chris Hallacy, Aditya Ramesh, Gabriel Goh, Sandhini Agarwal, Vishal Patel, Girish Sastry, Amanda Askell, Pamela Mishkin, Mark Chen, Ilya Sutskever, Dario Amodei
发表: ICML 2021

核心思想： CLIP 的核心理念是利用自然语言来监督视觉模型的训练。它不像传统的监督学习那样依赖于昂贵的、人工标注的类别标签（例如 ImageNet 中的 1000 个类别），而是直接使用图像文本对（例如，一张猫的照片配上“一只可爱的猫”的描述）作为训练数据。

创新点：

对比学习（Contrastive Learning）: CLIP 训练了一个图像编码器（基于 Vision Transformer）和一个文本编码器（基于 Transformer）。在训练过程中，模型接收一批图像文本对。对于每个图像，它会与所有文本中的正确匹配项（正面样本）和错误匹配项（负面样本）进行比较。模型的目标是最大化正确匹配的图像文本对的相似度（通常通过余弦相似度衡量），同时最小化错误匹配对的相似度。
零样本（ZeroShot）迁移能力: 这是 CLIP 最令人印象深刻的特点。一旦模型在海量的图像文本对上进行了预训练，它就可以用于各种下游任务，而无需进行额外的微调。例如，要识别一张图片是否是“狗”，只需要将图片输入图像编码器，将文本“一只狗”输入文本编码器，然后计算它们之间的相似度。模型会预测与文本相似度最高的类别的图像。这种能力极大地降低了数据标注的成本，并提高了模型的泛化能力。
大规模、多样化的数据集: CLIP 使用了从互联网上抓取的 4 亿个图像文本对进行训练，这些数据量级和多样性是前所未有的，这对于其强大的迁移能力至关重要。

为何受到推崇： CLIP 的出现革新了计算机视觉模型的训练范式。它证明了通过简单的自然语言监督，可以训练出在各种视觉任务上表现出色的通用视觉模型。这使得模型可以轻松地适应新的、未见过的数据集和任务，极大地推动了零样本学习和少样本学习的发展。你可以理解为，它学会了“理解”图像和文本之间的关联，而不仅仅是识别预设的类别。

2. 视觉问答（Visual Question Answering, VQA）：基于注意力机制的模型

VQA 是一个典型的多模态融合任务，要求模型理解图像内容并回答与之相关的问题。在这个领域，基于注意力机制的模型是早期且非常重要的代表。

论文标题（代表作之一）: "Show, Attend and Tell: Neural Image Caption Generation with Visual Attention"
作者: Kelvin Xu, Jimmy Ba, Ryan Kiros, Kyunghyun Cho, TsungYi Lin, Christopher Pal, Geoffrey Hinton, Sanja Fidler
发表: ICML 2015

核心思想：这篇论文虽然主要讲的是图像描述生成，但其提出的“视觉注意力”（Visual Attention）机制是后来 VQA 模型的重要基础。其核心思想是，在生成描述（或回答问题）的过程中，模型不应该平等地对待图像的所有区域，而是应该有选择性地关注与当前任务最相关的图像区域。

创新点（在VQA的背景下）：

显式多模态对齐: 在 VQA 中，模型需要将问题中的关键词（如“颜色”、“数量”）与图像中的对应区域（如“红色的球”、“三个苹果”）联系起来。注意力机制允许模型在生成答案的每一步，都去“查看”图像中最相关的部分。例如，回答“红色的球是什么？”时，模型会重点关注图像中红色的球区域。
软注意力和硬注意力: 早期的 VQA 模型通常采用软注意力。模型会为图像的每个区域分配一个权重，表示该区域对当前任务的重要性。然后，将加权后的图像特征与文本特征结合起来。这是一种端到端可训练的机制。

为何受到推崇：注意力机制的引入，使得模型能够更精细地处理图像和文本之间的关系。它能够解释模型为什么会给出某个答案，因为我们可以看到模型在生成答案时“注意”了图像的哪些部分。这对于理解模型行为至关重要。后续的 VQA 模型，如 MACN、BAN 等，都在注意力机制的基础上进行了更复杂的探索，比如多跳注意力（Multihop Attention），让模型能够推理更复杂的问题。

3. 视觉定位（Visual Grounding）：将文本描述映射到图像区域

视觉定位任务的目标是找出图像中最能匹配给定文本描述的区域。

论文标题: "Relationguided Visual Grounding"
作者: Kaiwen Guo, Xingcheng Liu, Zhicheng Liu, Xinyu Li, Jizhong Han, Ping Li
发表: CVPR 2020

核心思想：这类工作旨在实现“指哪里打哪里”。给定一句描述，例如“那个站在草地上的戴着帽子的男人”，模型需要输出图像中对应的“男人”这个区域。

创新点：

多层次的文本图像匹配: 传统的视觉定位模型可能只关注文本中的名词或短语与图像区域的匹配。然而，更高级的模型会考虑文本中词语之间的关系（例如，介词“在...上”，形容词“戴着”）以及这些关系如何在图像空间中体现。
关系推理: 这篇论文（以及类似的），强调了理解文本中实体及其关系的“关系”。模型会尝试理解“男人”和“草地”之间的“站立”关系，“男人”和“帽子”之间的“佩戴”关系。通过捕捉这些关系，模型能够更准确地定位到目标区域。这通常是通过图神经网络（GNN）或特定的注意力机制来实现，以建模文本词语和图像区域之间的关系图。

为何受到推崇：视觉定位是许多下游任务的基础，比如视觉问答、视觉导航、机器人交互等。能够准确地将文本指令与图像中的具体物体或区域关联起来，是实现人机交互的关键一步。这类论文的贡献在于，它们让模型能够“读懂”文本的“意思”，并能在图像中“找到”对应的事物，尤其是当物体有复杂的属性描述或处于特定关系中时，这种能力尤为重要。

4. 视觉语言导航（VisionLanguage Navigation, VLN）：结合视觉、语言和动作

VLN 任务要求智能体（Agent）在三维环境中，根据文本指令，从起点导航到目标位置。这涉及到对环境的理解、指令的解析以及动作的规划，是多模态融合的集大成者。

论文标题: "VLNBERT: A Unified Framework for VisionandLanguage Navigation"
作者: Xin Wang, William Yang Wang, Zhaohui Liu, Yicong Chen, Haoyu Qiu, Hongxia Jin
发表: ACL 2020

核心思想： VLNBERT 的核心是借鉴了 NLP 领域 BERT 模型的成功经验，将其应用于 VLN 任务。它将指令（文本）和周围环境的视觉信息（图像、地图信息）统一编码，然后通过 Transformer 架构进行端到端训练。

创新点：

统一的表示: VLNBERT 将文本指令、前向相机图像、以及智能体当前位置的地图信息（如果可用）都转换为统一的 token 序列。例如，指令中的每个词是一个 token，图像中的每个补丁（patch）可以被表示为一个视觉 token，地图信息也可以被编码成 token。
多模态 Transformer: 使用标准的 Transformer 架构，通过自注意力机制来建模文本 token 之间的关系、视觉 token 之间的关系，以及最重要的——文本 token 与视觉 token 之间的跨模态交互。这样，模型就能在处理指令的同时，理解当前的视觉场景，并根据这些信息做出导航决策。
预训练与微调: 类似于 BERT，VLNBERT 也可以在大量导航数据上进行预训练，学习通用的导航策略，然后再针对具体的导航环境或任务进行微调。

为何受到推崇： VLNBERT 极大地简化了 VLN 任务的建模。它证明了 Transformer 强大的序列建模能力可以有效地处理异构的多模态数据，并在视觉和语言的协同下完成复杂的导航任务。这项工作为后续的 VLN 研究奠定了坚实的基础，许多后来的方法都在其基础上进行改进，例如引入更有效的视觉表示、更精细的路径规划等。

总结

这些论文代表了 CV 多模态融合在不同层面的探索和进展：

CLIP 让我们看到了用自然语言指导通用视觉模型的可能性，开启了零样本学习的新时代。
基于注意力机制的 VQA 模型展现了如何通过显式对齐，让模型精确理解文本和图像局部之间的关系。
视觉定位（如 Relationguided Visual Grounding）则更进一步，强调了理解文本中实体间的关系，并将其映射到图像空间。
VLNBERT 更是将多模态融合推向了行动决策层面，让智能体能够理解指令、感知环境并执行复杂的任务。

这些研究共同的特点是：都致力于让计算机“理解”不同模态信息之间的关联，从而实现更强大、更通用的智能。它们使用的核心技术往往是 Transformer 架构、注意力机制以及各种形式的对比学习和联合表示学习。在阅读这些论文时，你会发现它们都在不断地尝试解决“如何让不同模态的信息‘对话’起来”这一核心问题。

网友意见

不知道题主说的多模态融合是指什么，我这里来推荐一个做多模态视频片段检索的工作吧，即给出一段query，需要定位它在视频中的起始结束位置，也叫 Temporal Language Grounding (TLG)。

AAAI 2020 的，来自 MSRA 的 Learning 2D Temporal Adjacent Networks for Moment Localization with Natural Language，简称 2D-Tan，代码 https://github.com/microsoft/2D-TAN/，以 2D 形式来表示不同的时间片段，为每个时间片段赋予预训练视频特征和语言特征的融合，直接分类，没有回归，简单粗暴：

作者验证了不需要回归的 upper bound 已经很高了，这就很骚了。此外，这篇 paper 的方法在 ICCV 2019 也拿了动作时序定位的冠军。然而这个方向好像做的人没那么多，但是实际应用应该是蛮广的呀~

需要说明的是这个结构的潜力不止于此。我和两位师弟 @一滴水 @带带小锯鳄一起好好做了一下 2D-Tan 的实现，无论是速度和精度上都能好不少，特别是速度上，过段时间丢 github，先 mark 了～

开源地址：

谢谢关注！相关解读在：

介绍一下最近看的一篇非常简洁的多模态方法ViLT，可以理解为BERT+ViT。

现有的VLP模型的text embedding基本上都使用类BERT结构，但是visual embedding存在着差异。在大多数情况下，visual embedding是现有VLP模型的瓶颈。visual embedding的方法总共有三大类，其中region feature方法通常采用Faster R-CNN二阶段检测器提取region的特征(如ViLBERT和UNITER)，grid feature方法直接使用CNN提取grid的特征(如Pixel-BERT)，patch projection方法将输入图片切片投影提取特征。ViLT是首个使用patch projection来做visual embedding的方法。

ViLT可以认为是目前最简单的多模态Transformer方法。ViLT使用预训练的ViT来初始化交互的transformer，这样就可以直接利用交互层来处理视觉特征，不需要额外增加一个视觉encoder。

文本特征输入部分，将文本看成一个词序列，通过word embedding matrix转化成word embedding，然后和position embedding进行相加，最后和modal-type embedding进行concate。

图像特征输入部分，将图像切块看成一个图像块序列，通过linear projection转化成visual embedding，然后和postion embedding进行相加，最后和modal-type embedding进行concate。

其中word embedding和visual embedding通过可学习的modal-type embedding标志位来区分，其中0标志位表示word embedding部分，1标志位表示visual embedding部分。

wrod embedding和visual embedding分别都嵌入了一个额外的可学习[class] embedding，方便和下游任务对接。

Pretraining Objectives

ViLT预训练的优化目标有两个：一个是image text matching(ITM)，另一个是masked language modeling(MLM)。

ImageText Matching：随机以0.5的概率将文本对应的图片替换成不同的图片，然后对文本标志位对应输出使用一个线性的ITM head将输出feature映射成一个二值logits，用来判断图像文本是否匹配。另外ViLT还设计了一个word patch alignment (WPA)来计算teextual subset和visual subset的对齐分数。

Masked Language Modeling：MLM的目标是通过文本的上下文信息去预测masked的文本tokens。随机以0.15的概率mask掉tokens，然后文本输出接两层MLP与车mask掉的tokens。

如图所示，ViLT相比于region feature的方法速度快了60倍，相比于grid feature的方法快了4倍，而且下游任务表现出相似甚至更好的性能。

看一下ViLT可视化的效果，ViLT学到了word和image patch之间的对应关系。

总结

BERT和ViT给多模态Transformer提供了基础，通过巧妙的proxy task设计，ViLT成功将BERT和ViT应用于多模态Transformer。总体上来看基于patch projection的多模态方法速度优势非常大，但是整体上性能还是略低于region feature的方法，感觉多模态Transformer还大有可为啊。

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Reference

[1] ViLT: Vision-and-Language Transformer Without Convolution or Region Supervision

推荐微软亚洲研究院自然语言计算组发布的一项创新的研究成果——开放领域视频生成预训练模型，基于 3D 注意力机制，克服了视频帧连续性建模的挑战，可秒级实现基于文字脚本生成视频。

先看效果：

输入文本：Digit 9 is moving down then up. （数字9先向下，再向上移动）

输出视频：

输入文本：Digit 7 moves right then left while digit 3 moves down then up. （数字7先向右，再向左移动；同时数字3先向下，再向上移动）

输出视频：

输入文本：A baseball game is played. （正在举行的棒球比赛）

输出视频：

输入文本：A girl on the voice kids talks to the judges. （The Voice Kids 节目上，一个女孩在和评委说话）

输出视频：

以下是技术解读：

事实上，通过文字阅读、语言对话获取信息，只是人类成长学习过程中的一部分，还有一部分信息来自于视觉方面的输入，比如我们看到马会在地上跑，不会在天上飞；鸟会在天上飞，不会在水里游，等等。由于这类信息被人们认为是理所当然的常识，基本不会频繁体现在文字和语言中，所以研究员们在基于大规模文本训练 NLP 模型时，愈发感受到现有模型中常识类知识的缺乏，因为这些知识通常更多出现在图片、视频中。

此前受限于计算能力和 AI 跨领域处理方法的差异，跨领域、多模态的内容学习很难。而近年来 NLP 技术快速发展，一些新的底层模型不断涌现，并且已经开始被应用于计算机视觉（CV）等其他领域的模型训练中，如 Transformer。

随着自然语言处理与计算机视觉两个领域之间底层模型共性的增多，两个领域的研究人员也正在越来越多地尝试对方领域的算法，以提升模型的表示能力、推理能力。在 NLP 领域的全球顶会 ACL 上，这些年出现了不少多模态问答、多模态摘要生成、多模态内容检索相关的论文；而在 CVPR 等计算机视觉领域的顶会上同样也出现了很多融合了 NLP 任务的跨模态方法。跨领域、多模态的机器学习初见成效。

“从 NLP 领域的研究角度看，我们希望能够从视频或图片的信号中学习到在文本中不太会做出描述的常识信息，以补充现有 NLP 模型所缺乏的常识或物理知识，最终让 NLP 模型取得更好的效果。同时，这也可以让 NLP 与图片和视频任务建立起内在联系，”微软亚洲研究院自然语言计算组高级研究员段楠表示，“这是我们进行视频生成研究的初衷所在。”

创新3D注意力机制，攻克视频连续建模挑战

目前常见的视频生成技术主要基于生成式对抗网络（GAN）进行，而微软亚洲研究院此次的视频生成则是基于 VQ-VAE 技术。对 NLP 领域的研究人员来说，后者的技术路线与 NLP 领域的研究思路更加接近，它可以将视频/图片信息映射为文本，再通过序列化生成符号的角度进行处理。

视频和图片在这里并没有本质区别，因为视频可以被切分成很多个视频帧，即图片。利用 VQ-VAE 算法模型可以将每一个视频帧编码成离散向量表示，这样图片信息就可以对应到相应的文本，从而序列化为 NLP 最擅长处理的 token，充分利用现有的 NLP 模型和算法。在大规模数据预训练之后，再基于 VQ-VAE 模型将离散序列反向还原成视频帧，并将所有帧连在一起，就形成了可视化的视频。

该方法的好处是，所生成的每个视频帧与文本的关联性都很高，但如何确保生成视频帧之间的流畅性以及如何解决生成视频时遇到的长序列建模问题，则成为研究员们必须攻克的技术难点。针对上述两个挑战，研究员们在帧与帧之间引入了一个 3D 稀疏注意力机制，在生成当前帧的某一区域时，同时考虑该区域的行（Row）、列（Column）、时（Temporal）三个维度的视觉信息（如图1所示）。

图1给出了输入文本长度为3个 token、输出视频为2帧、每帧由4个 token 组成时的 3D 稀疏注意力掩码矩阵。其中，行表示模型需要生成的8个视觉 token (v_1, v_2,…, v_8)，列表示生成该视觉 token 需要关注哪些 token。红色、蓝色、紫色分别表示行、列、时三种稀疏关注机制的独有的关注，绿色表示三种关注机制共享的关注，黑色则表示不关注。例如，第一行前三列为绿色，表示在生成 v_1 的时候，三种关注机制都关注了所有的语言 token t_1, t_2, t_3。第二行表示前三列为绿色，第四列为蓝色，表示在生成 v_2 的时候，除了三种关注机制都关注了 t_1, t_2, t_3 外，列关注机制还专门关注了 v_1。这是由于当视频的一帧由4个 token 组成时，v_1 是 v_2 的先前列 token（如图2，对于 Column 轴而言，1在2之前）。再例如第4行就表示在生成 v_4 时，模型除了关注 t_1, t_2, t_3 外，行关注专门关注了 v_2，列关注专门关注了 v_4。从图2可以看出，这是由于 v_2 是 v_4 的先前行 token，v_3 是 v_4 的先前列 token。值得一提的是，为了减少计算，模型不再关注与 v_4 间隔比较远的 v_1。

这样有三个好处：其一，通过稀疏的注意力建模，模型省去了大量的运算（可以从图1看出，大量的位置都是黑色的），从而可以进行长序列的建模。其二，行、列、时三个维度的关注使得模型在生成某一视觉区域时，同时考虑空间和时间的依赖性，从而能够生成帧内更平滑、帧间更流畅的视频。其三，由于在生成每个视觉 token 的时候都会关注全部文本信息（图1前3列都是绿色的），则生成的视频和文本的一致性会比较好。

图3给出了整个的模型图。可以看到，通过上述的行、列、时稀疏注意力的循环堆叠，模型可以迭代地生成视觉 token 序列。这些 token 组装之后，通过 VQ-VAE 的解码器就可以一帧一帧地输出视频了。

除了以上几个技术方面的挑战，基于文字生成视频的另一个难点是，对视频生成效果的评价会相对主观。同样一段小孩与小狗在游泳池边嬉戏的文字，对应的视频可能有千万种呈现方式，很难通过标注数据对生成的视频进行衡量，这给视频生成研究的自动评价机制带来了巨大挑战。为了解决这个问题，微软亚洲研究院的研究员们采用了人工审核与技术判别相结合的方式。在技术判别方面，研究员们基于 CLIP（论文链接：https://arxiv.org/abs/2103.00020）设计了自动评测指标 RM（Relative Matching）：

其中，t 表示输入文字描述，v^(l) 和 v ̂^(l) 分别表示真实视频 v 和生成视频 v ̂ 中的第 l 帧，CLIP(t, v^(l) ) 表示基于 CLIP 模型计算的 t 和 v^(l) 之间的相似度。实验数据表明，该指标能够很好地将生成视频所对应的输入文字描述从若干文字描述集合中选取出来（按照 RM 得分最大值，如图4所示），从而证明了该开放领域视频生成预训练模型生成的视频内容和输入文字描述之间具有很好的相关性。

目前，该模型在 HowTo100M 的公开数据集预训练，并在 MSR-VTT 公开数据集上 finetune（微调），取得了不错的测试结果。尽管现有版本仅生成了十帧的视频，但可以看出视频有着较高的连贯性，而且与文本的相关性也很高，初步验证了基于文字生成视频技术的可行性。随着未来算法的更新和计算能力的提升，研究员们将进一步完善视频长度、画质分辨率等更多细节。

多技术融合是趋势，“无中生有”的视频还远吗？

对于视频的生成，大家或许会有一个疑惑：AI 模型到底是根据文本去搜索、筛选了一个相符合的视频，还是完全原创地生成了一个全新的视频？这个问题有点哲学，毕加索曾经说过“Good artists copy, great artists steal（杰出的艺术家模仿，伟大的艺术家窃取）”，艺术家的艺术创作都会把他们吸收到的各方精髓进行融合、创新，所以 AI 也不能免俗。

通常，文字到视频的生成可以分为三种：第一种，基于搜索，筛选出最相符的视频（相关论文链接：https://arxiv.org/abs/2104.08860），这与在搜索引擎中查找图片和视频类似；第二种，根据文字描述搜集大量已有视频，从不同的视频中裁剪出与文字相符的部分，再进行拼接，至于转场、衔接是否丝滑，就要看模型的自身“功力”了；第三种，也是视频生成的最高境界——从无到有地生成视频，这就类似于我们经过繁多的步骤去拍摄或制作一个视频。

目前微软亚洲研究院所做的基于文字生成视频的技术，大致介于第二种与第三种生成方式之间——部分是由 AI 模型截取于已有视频，部分则是 AI 模型自身生成的。然而，分别以 VQ-VAE 和 GAN 为核心技术进行的文字生成视频，都存在一定的不足，但也各具优势。

“未来，VQ-VAE 和 GAN 两个技术的相互融合、优势互补将会成为文字生成视频的一个研究方向。我们也在尝试创新地结合多种 AI 技术，以提升生成视频的内容质量和长度，并希望通过聚焦视频理解与生成研究来促进 NLP 预训练模型在多模态处理和常识知识获取等前沿领域的进步，”段楠表示。

论文：GODIVA: Generating Open-DomaIn Videos from nAtural Descriptions

论文链接：https://arxiv.org/abs/2104.14806

论文作者：吴晨飞、黄伦（杜克大学）、张虔熙、李镔洋、纪蕾、杨凡、GuillermoSapiro（杜克大学）、段楠

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