「悟道·视界」视觉大模型系列，6项领先成果技术详解
日前，智源「悟道·视界」通用视觉大模型系列，带来计算机视觉多任务处理能力方面的6项国际领先技术，迎接通用视觉智能曙光降临，包括：
在多模态序列中补全一切的多模态大模型 Emu
最强十亿级视觉基础模型 EVA
一通百通、分割一切的视界通用分割模型
首创上下文图像学习技术路径的通用视觉模型Painter
性能最强开源CLIP模型 EVA-CLIP
简单prompt（提示）即可视频编辑的 vid2vid-zero 零样本视频编辑技术
“悟道·视界”
通用视觉大模型系列开源地址：
EVA代码和论文
Github 项目地址
https://github.com/baaivision/EVA
论文地址
https://arxiv.org/abs/2211.07636
EVA-CLIP代码和论文
Github 项目地址
https://github.com/baaivision/EVA/tree/master/EVA-CLIP
论文地址
https://arxiv.org/abs/2303.15389
Painter代码和论文
Github 项目地址
https://github.com/baaivision/Painter
论文地址
https://arxiv.org/abs/2212.02499
「视界通用分割模型」代码和论文
Github 项目地址
https://github.com/baaivision/Painter
论文地址
https://arxiv.org/abs/2304.03284
Demo 地址
https://huggingface.co/spaces/BAAI/SegGPT
vid2vid-zero代码和论文
Github 项目地址
https://github.com/baaivision/vid2vid-zero
论文链接
https://arxiv.org/abs/2303.17599
Demo 地址
https://huggingface.co/spaces/BAAI/vid2vid-zero
Emu：在多模态序列中补全一切的多模态大模型
多模态输入，多模态输出。
Emu作为业界首个多模态-to-多模态的多模态大模型，可以接受和处理不同模态的数据，并输出想要的多模态类别。
基于多模态上下文学习技术路径，从图文、交错图文、交错视频文本等海量多模态序列中学习。训练完成后，Emu能在多模态序列的上下文中补全一切，对图像、文本和视频等多种模态的数据进行感知、推理和生成，实现多轮图文对话、视频理解、精准图像认知、文图生成、多模态上下文学习、视频问答和图图生成等多模态能力。
在零样本COCO图像描述性能方面，Emu超越Flagmingo-80B，取得109分。相比其他多模态模型，可以准确识别出莫奈的日出印象；可以完成少样本图文理解，以两个图文对为例，可自动完成对应任务；还可根据图片或视频进行问答和多轮对话。
在生成能力方面，可以根据任意长度文本生成图像；在图图生成方面，可以自动推理生成新的图片；在多模态上下文生成方面，可以根据文本-图片作为prompt，生成融合了上下文的新图片。
通用性是大模型能力的重要指标，亦是研究难点所在。如何让通用视觉模型，在更高效的同时更简单？语义学习和几何结构学习是解决视觉问题的两大关键点。
将最强十亿级视觉基础模型 EVA 正是将最强语义学习（CLIP）与最强几何结构学习（MIM）结合，再将标准的 ViT 模型扩大规模至 10 亿参数进行训练，一举在 ImageNet 分类、COCO 检测分割、Kinetics 视频分类等广泛的视觉感知任务中取得当时最强性能。
视觉预训练模型EVA的命名来源于论文标题“Exploring the Limits of Masked Visual Representation Learning at Scale”相关字母的简化，意为探索遮蔽视觉表征学习的极限。
EVA模型把以“视觉为中心”作为建模思想，将语义学习（CLIP）与几何结构学习（MIM）结合，仅使用标准的 ViT 模型，并将其规模扩大到十亿参数（1-Billion）进行训练。
模型训练方法是使用图像-文本对齐（即CLIP）的视觉特征作为MIM的预测目标，模型设计思路有两个特点：
高效，EVA仅使用开源的纯图像数据即可进行掩码预测任务，不需要预训练阶段重新学习语义以及不需要巨量的成对有标注数据。相比而言，主流标杆性模型（ViT-g、SwinV2、CoCa等）仍依赖于冗长的有监督或弱监督训练，以及不可公开访问的数亿级有标签数据。
简单，EVA不需要特殊设计网络结构。使用简单的网络结构—标准的ViT-g，而无需额外特殊设计的算子，使得其非常容易的迁移到广泛的下游任务，并且可以和其他模态共享。
经过实验，模型在ImageNet分类、COCO检测分割、Kinetics视频分类等广泛的视觉感知任务中取得当前最强性能。
如上图，ImageNet图像分类中取得89.7%的top-1准确率；Kinetics-700视频动作识别取得82.9%的top-1准确率；COCO目标检测取得64.7 mAP、实例分割取得55.5 mAP；LVIS的实例分割取得55.0 mAP；语义分割的COCO-stuff取得53.4 mIoU、ADE-20K取得62.3 mIoU。
Painter通用视觉模型：首创「上下文视觉学习」技术路径
图像理解图像、图像解释图像，图像输出图像。将NLP中的上下文学习概念引入视觉模型，是智源对通用智能的新探索。
通用视觉模型 Painter , 将“以视觉为中心”作为建模核心思想，将图像作为输入和输出，从而获得上下文视觉信息，完成不同的视觉任务。
通用视觉模型Painter的设计思路是将大多数视觉任务看成”图像修复问题“，即给定输入（“缺失”）图像，预测输出是“修复“过的图像。这保持了像素之间的空间关系，确保每个输出图像的像素仍然代表相关任务的输出。
图注：掩蔽建模流程图
Painter的建模要素可以归纳为三部分：输入、架构以及损失函数。
输入为图像。任务输入和输出都是图像，会随机遮蔽任务输出图像，并训练模型重构缺失（被遮蔽掉）的像素。研究人员发现，遮蔽比例为75%效果最好。
损失函数采用简单的回归损失。研究人员发现，Smooth l1 损失能帮助模型取得最好的性能。
架构采用基本的ViT（vision Transformer）作为编码器。具体来说，神经网络头部（head）由两个线性层（每个是1×1卷积），一个3×3卷积层组成。
模型目前可完成 7 种主流视觉任务，已经在深度估计、语义分割等核心视觉任务中性能“大幅超越同类”，相比同类模型具有 11%~25% 的性能提升，超过了图灵奖得主 Geoffrey Hinton 团队的 Pix2Seqv2，艾伦AI研究所的视觉通用模型 Unified-IO 和谷歌的 UViM。
「视界」通用分割模型：一通百通，分割一切
「视界通用分割模型」基于通用模型Painter开发，是首个利用视觉提示（prompt）完成任意分割任务的通用视觉模型，一通百通、分割一切。
从影像中分割出各种各样的对象，是视觉智能的关键里程碑。今年年初，智源视界分割模型与Meta 的 SAM 模型同时发布，点亮通用视觉曙光。
它将分割任务视为一种通用的视觉感知格式，即通过将它们转化为图像的相同格式来适应不同种类的分割数据；同时，模型训练被构造为一个在上下文中的着色问题，即目标是只根据上下文，来着色相应的区域，而不是依赖特定的颜色，这使得模型更灵活和可泛化。
图注：「视界通用分割模型」训练框架
总的来说「视界通用分割模型」在基础模型Painter做了三点主要创新：
1.上下文随机着色方法。首先随机采样与输入图像“相似”的图像，然后从目标图像中随机抽取一组颜色，并将每种颜色映射到一个随机颜色，如此可得到两对图像，被定义为上下文对。从而打破了原始图像中的颜色关联，迫使模型“放弃”颜色信息依赖，更多依赖依赖上下文信息。
2.上下文集成方法。两种集成方案：空间集成，将多个示例图像拼接在一起，并将它们调整到与单个示例相同的大小；特征集成，将多个示例在批处理维度上进行组合，并独立计算。两种集成方式让模型可以使用多个示例，从而提供更准确和具体的上下文信息。
3.上下文微调方法。冻结整个模型，并初始化一个可学习的图像张量作为输入上下文。在训练过程中，只有这个可学习的图像张量会被更新，其他的训练过程保持不变。从而能以灵活的方式适应特定的任务或数据集。
图注：针对某一数据集自动构建一个对应的 prompt，或者针对一个房间来构建专用 prompt。
以上技术让「视界通用分割模型」具备输入任意数量的prompt，以及对特定场景优化专用prompt的能力。即「视界通用分割模型」解锁了上下文推理能力，训练完成后无需微调，只需提供示例即可自动推理并完成对应分割任务。
图注：（左上）少量prompt实验、（右上）零样本迁移能力测试、（下）视频目标分割指标
实验结果也显示了模型强大的能力。例如模型只需少数 prompt 示例，在 COCO 和 PASCAL 数据集上取得最优性能；模型的零样本场景迁移实验中，模型在少样本语义分割测试集 FSS-1000 上，在无需训练的情况下取得最佳性能；另外，无需视频训练数据，模型可直接进行视频物体分割，并取得和专门优化的模型相当的性能。
EVA-CLIP：性能最强开源CLIP模型
零样本学习是指仅通过描述让AI“认出”未见过的物体，是评价模型泛化能力的重要指标。多模态预训练模型CLIP 作为零样本学习基础模型，广受业界认可。
智源视觉团队于2023年初发布的 EVA-CLIP 5B 版本， 创造了零样本学习性能新高度：超越此前最强的 OpenCLIP 模型，在 ImageNet1K 零样本 top1 达到最高的 82.0% 准确率。
而去年发布的 EVA-CLIP 1B 版本，今年才被 Meta 发布的 DINOv2 模型追平 ImageNet kNN准确率指标。
EVA-CLIP是一系列模型的总称，集成了当前新兴的几种模型训练技术，包括用EVA预训练模型进行初始化，用LAMB优化器加速模型，用FLIP技术节省训练时间等等。具体而言，模型有两种集成思路：
1.EVA预训练 + LAMB优化器让CLIP模型表现更加强大。
视觉预训练模型 EVA 能将语义学习（CLIP）与几何结构学习（MIM）结合，在标准模型基础上，将规模扩大到十亿参数（1-Billion）进行训练。EVA 模型的输入为有遮盖的图像，但遮盖部分能重构 CLIP 模型对应位置，从而获得高效、简单的可泛化模型。
LAMB优化器专门面向大批量（batch）训练，考虑到它自适应的学习率和动量参数设置的优势，为避免泛化差距难题，研究员认为LAMB优化器比Adam、RMSprop更适合训练大规模CLIP模型。
2，FlashAttention机制+ FLIP加速让CLIP模型训练更迅速。
FlashAttention算法可以在执行更少的内存/访问的基础之上，在加速和节省内存的基础上计算精确注意力。研究员使用该机制训练CLIP时可以提升15%-30%的训练速度。
FLIP旨在通过简单的图像掩蔽提升CLIP的训练速度，带来性能提升。实践中，研究员随机掩蔽了50%的图像标签，减少一半的时间复杂度。
实验结果表现，50亿参数量的EVA-CLIP模型，零样本分类和检索的性能全面提升。在ImageNet1K零样本top1 准确率达到了82.0%，高于此前最佳OpenCLIP的80%；在 MS COCO 上实现了75.0% 的zero-shot图像检索（Recall@5）。
同时，EVA-CLIP兼顾了泛化能力和鲁棒性。例如EVA-CLIP与27个零样本图像分类基准的对比，效果最好的EVA-CLIP达到了平均77.5的Top-1准确率，模型泛化能力业界领先。EVA-02-CLIP-E/14+在ImageNet系列和ObjectNet的所有6个基准测试中获得了平均80.9%的准确率，这充分证实了鲁棒性。
vid2vid-zero：简单prompt（提示）即可视频编辑的零样本视频编辑方法
现有文本驱动的 AIGC 视频编辑方法严重依赖于在大量「文本-视频」数据上调整预训练好的视频扩散模型，需要庞大的计算资源，带来了高昂的人工数据标注成本和计算成本。
智源研究院提出了零样本视频编辑方法「vid2vid-zero」，首次在无需额外视频训练的情况下，利用注意力机制动态运算的特点，结合现有图像扩散模型，实现可指定属性的视频编辑。
图注：vid2vid-zero 模型架构及工作流程
这里用两组视频展示了模型的有效性。我们介绍第一组：输入文本“a man is running”。
加入指令：动漫风格。输出结果如下图，可以很好的将人物转换成动漫，展示了模型风格编辑能力。
加入指令：一位老人在海滩。输出结果如下图，说明模型的属性编辑和背景编辑能力已经过关。
此外，论文中公布了更多的视频案例，更多模型能力，请访问论文。
用户根据「视频质量」、「文本与视频的对齐程度」、「对原始视频的保真度」在 32 段视频上对 vid2vid-zero、TAV、PnP 模型的性能进行了比较。实验结果表明，vid2vid-zero 在上述三项指标上都具有显著优势。