英伟达NVLM多模态大模型细节和数据集 原创

发布于 2024-12-19 11:22
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前期笔者介绍了OCR-free的多模态大模型,可以参考:​​【多模态&文档智能】OCR-free感知多模态大模型技术链路及训练数据细节​​,其更偏向于训练模型对于密集文本的感知能力。本文看一看英伟达出品的多模态大模型NVLM-1.0系列,虽然暂未开源,但该文章给出了NVLM的详细细节,值得一读。

NVLM-1.0方法

英伟达NVLM多模态大模型细节和数据集-AI.x社区

NVLM-1.0包括三种不同的架构:

  1. NVLM-D,一种解码器架构;
  2. NVLM-X,一种基于交叉注意力(X-attention)的架构;
  3. NVLM-H,一种混合架构。

共享视觉路径

所有NVLM模型共享一个视觉路径。使用InternViT-6B-448px-V1-5作为默认的视觉编码器,并在整个训练阶段保持其冻结状态。该视觉编码器以固定的448x448像素分辨率处理图像,生成1024个输出标记。采用动态高分辨率(DHR)方法来处理不同分辨率的图像输入。具体的如下图,图像被分割成最多6个瓦片(tile),每个瓦片对应448x448像素。然后,每个瓦片被送入InternViT-6B进行处理,生成1024个标记。这些标记通过下采样操作减少到256个标记,这么做可以降低处理开销。

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上述两张图都是动态DHR的处理过程,围绕图像的预处理,包括归一化、缩放、裁剪、根据宽高比动态处理等操作,构建了一套完整的流程,代码逻辑如下:

import torch
from PIL import Image
import torchvision.transforms as T
from torchvision.transforms.functional import InterpolationMode

IMAGENET_MEAN = (0.485, 0.456, 0.406)
IMAGENET_STD = (0.229, 0.224, 0.225)


def build_transform(input_size):
    MEAN, STD = IMAGENET_MEAN, IMAGENET_STD
    transform = T.Compose([
        T.Lambda(lambda img: img.convert('RGB') if img.mode != 'RGB'else img),
        T.Resize((input_size, input_size), interpolatinotallow=InterpolationMode.BICUBIC),
        T.ToTensor(),
        T.Normalize(mean=MEAN, std=STD)
    ])
    return transform


def find_closest_aspect_ratio(aspect_ratio, target_ratios, width, height, image_size):
    best_ratio_diff = float('inf')
    best_ratio = (1, 1)
    area = width * height
    for ratio in target_ratios:
        target_aspect_ratio = ratio[0] / ratio[1]
        ratio_diff = abs(aspect_ratio - target_aspect_ratio)
        if ratio_diff < best_ratio_diff:
            best_ratio_diff = ratio_diff
            best_ratio = ratio
        elif ratio_diff == best_ratio_diff:
            if area > 0.5 * image_size * image_size * ratio[0] * ratio[1]:
                best_ratio = ratio
    return best_ratio


def dynamic_preprocess(image, min_num=1, max_num=6, image_size=448, use_thumbnail=True):
    orig_width, orig_height = image.size
    aspect_ratio = orig_width / orig_height

    target_ratios = set(
        (i, j) for n in range(min_num, max_num + 1) for i in range(1, n + 1) for j in range(1, n + 1) if
        i * j <= max_num and i * j >= min_num)
    target_ratios = sorted(target_ratios, key=lambda x: x[0] * x[1])

    target_aspect_ratio = find_closest_aspect_ratio(
        aspect_ratio, target_ratios, orig_width, orig_height, image_size)

    target_width = image_size * target_aspect_ratio[0]
    target_height = image_size * target_aspect_ratio[1]
    blocks = target_aspect_ratio[0] * target_aspect_ratio[1]

    resized_img = image.resize((target_width, target_height))
    processed_images = []
    for i in range(blocks):
        box = (
            (i % (target_width // image_size)) * image_size,
            (i // (target_width // image_size)) * image_size,
            ((i % (target_width // image_size)) + 1) * image_size,
            ((i // (target_width // image_size)) + 1) * image_size
        )
        split_img = resized_img.crop(box)
        processed_images.append(split_img)
    assert len(processed_images) == blocks
    if use_thumbnail and len(processed_images) != 1:
        thumbnail_img = image.resize((image_size, image_size))
        processed_images.append(thumbnail_img)
    return processed_images


def load_image(image_file, input_size=448, max_num=6):
    image = Image.open(image_file).convert('RGB')
    transform = build_transform(input_size=input_size)
    images = dynamic_preprocess(image, image_size=input_size, use_thumbnail=True, max_num=max_num)
    pixel_values = [transform(image) for image in images]
    pixel_values = torch.stack(pixel_values)
    return pixel_values

文中引入了三种tile标签:

  • 无标签:简单连接,没有tile标签,这是InternVL-1.5的设计。
  • 一维扁平化tile tag:<tile_1>、<tile_2>、...、<tile_6>、<tile_global>。
  • 二维网格tag:<tile_x0_y0>、<tile_x1_y0>、...、<tile_xW_yH>、<tile_global>,其中<tile_xi_yj>的{i:j}可以是{1:1, 1:2, 1:3, 1:4, 1:5, 1:6, 2:1, 2:2, 2:3, 3:1, 3:2, 4:1, 5:1, 6:1}中的任何一个。
  • 二维边界框标签: (x0, y0), (x1, y1) 、...、 (xW, yH), (xW+1, yH+1) ,其中(xi, yj)和(xi+1, yj+1)分别是整个高分辨率图像中该特定tile的(左、上)和(右、下)坐标。

实验可以看到,其中DHR + 1-D tag取得了最佳的性能。

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NVLM-D: 解码器架构

NVLM-D模型类似于之前的解码器架构多模态LLMs(如:)。通过一个两层MLP将预训练的视觉编码器连接到LLM。训练NVLM-D涉及两个阶段:预训练和SFT。在预训练阶段,MLP需要先进行训练,同时保持视觉编码器和LLM主干冻结。在SFT阶段,MLP和LLM都被训练以学习新的视觉-语言任务,而视觉编码器保持冻结状态。为了防止LLM在多模态SFT训练期间退化文本性能,引入了一个高质量的文本SFT数据集。

NVLM-X: 基于X-attention的模型

NVLM-X使用门控交叉注意力来处理图像token。与Flamingo模型不同,NVLM-X不使用感知重采样器,而是直接通过交叉注意力层处理图像标记。在SFT阶段,解冻LLM主干,并混合高质量文本SFT数据集以保持强大的文本性能。

NVLM-H: 混合模型

NVLM-H结合了解码器架构和基于X-attention的架构的优点。将图像token分为两部分:缩略图token和常规瓦片token。缩略图标记通过自注意力层处理,而常规瓦片标记通过交叉注意力层处理。这种设计提高了高分辨率图像的处理能力,同时显著提高了计算效率。

模型配置和训练方法

所有NVLM模型的训练过程包括两个阶段:预训练和监督微调(SFT)。在预训练阶段,冻结LLM主干和视觉编码器,只训练模态对齐模块。在SFT阶段,保持视觉编码器冻结,同时训练LLM和模态对齐模块。

LLM和视觉模型选择

  • LLM:对于NVLM-D、NVLM-X和NVLM-H 72B模型,使用Qwen2-72B-Instruct作为LLM。为了计算效率,还使用了较小的Nous-Hermes-2-Yi-34B进行更快的消融研究和实验。
  • 视觉编码器:所有NVLM模型都使用InternViT-6B-448px-V1-5作为视觉编码器。

模态对齐模块

  • NVLM-D: 使用两层MLP将视觉编码器和背景语言模型连接起来。隐藏维度为12800→20480→7168(34B模型)和12800→29568→8192(72B模型)。
  • NVLM-X: 图像特征首先通过一层MLP投影到背景语言模型的隐藏维度,然后插入门控X-attention层。具体配置为12800→7168(34B模型)和12800→8192(72B模型)。
  • NVLM-H: 使用两层MLP和X-attention层作为模态对齐模块。缩略图图像标记直接输入到背景语言模型解码器中,而常规图像块则通过X-attention层进行处理。

训练超参数

  • 预训练阶段

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  • SFT阶段

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训练数据

  • 预训练数据集

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  • SFT数据集

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  • 文本SFT数据集
    包括ShareGPT、SlimOrca、EvolInstruct、GPTeacher、AlpacaGPT4、UltraInteract、OrcaMathWordProblems、MathInstruct、MetaMath、GlaiveCodeAssistant、Magicoder、WizardCoder、GlaiveCodeAssistant等。并使用OpenAI模型GPT-4o和GPT-4o-mini进一步优化响应质量,并进行数据去污染,确保不包含基准测试数据集中的提示。
  • SFT数据构建格式

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  • 预训练中使用的各种任务的训练格式示例。绿色< image >tag表示插入视觉特征的位置。蓝色文本代表与损失相关的真实值。
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  • SFT中使用的ChatML模板示例。绿色< image >标签指示插入视觉特征的位置。蓝色文本代表与损失相关的真实值。
  • 实验结果

    重点关注多模态推理、视觉上下文中的数学推理、自然图像理解、场景-文本阅读、图表理解、文档理解、现实世界感知和OCR能力。

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    参考文献

    • NVLM: Open Frontier-Class Multimodal LLMs,https://arxiv.org/pdf/2409.11402


    本文转载自公众号大模型自然语言处理  作者:余俊晖

    原文链接:​​https://mp.weixin.qq.com/s/QtawR9aG-ABO8cZ67KlVvA​

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