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ALPRO：一种新的视频 - 语言预训练框架

提出了一种新的视频 - 语言预训练框架 ALPRO，该框架对稀疏采样的视频帧进行操作，无需显式的对象检测器即可实现更有效的跨模态对齐，并在文本 - 视频检索和视频问答任务上取得了最先进的性能。

论文链接：https://arxiv.org/pdf/2112.09583

一、研究背景与问题

现有方法的不足

• 大多数先前方法使用基于 Transformer 的多模态编码器捕获跨模态交互，但未充分解决单模态视频和文本特征之间的错位问题。
• 学习细粒度的视觉 - 语言对齐通常需要现成的对象检测器来提供对象信息，但受限于检测器有限的词汇量和昂贵的计算成本。
• 视频特性带来的挑战：视频中连续帧通常包含更多冗余信息，这对模型的容量和计算效率都提出了挑战。

二、方法介绍

ALPRO 框架概述

• 架构：由视频 - 语言预训练模型和提示器组成。预训练模型包含时空视频编码器、文本编码器和多模态编码器；提示器用于生成软实体标签，以监督视频 - 语言模型的预训练。
• 核心创新：引入视频 - 文本对比损失（VTC）和提示实体建模（PEM）任务，以加强实例级和细粒度区域 - 实体级的跨模态对齐。

关键技术细节

• 视频 - 文本对比损失（VTC）：在实例级别对齐单模态视频 - 文本特征，通过优化视频和文本 [CLS] 标记的embedding 相似度，使配对的视频 - 文本实例具有相似的表示。
• 提示实体建模（PEM）：通过提示器模块以自监督方式学习视觉区域和文本实体之间的细粒度对齐。提示器使用 VTC 损失预训练后冻结参数，通过计算视频作物与文本提示的相似度生成软实体标签，用于监督预训练。
• 预训练目标：包括 VTC 损失、PEM 损失、掩码语言建模（MLM）和视频 - 文本匹配（VTM）损失。

算法模型

1)Video Encoder
先在帧内的patch之间进行self-attenion,然后再进行时序融合,输出特征为

2) Text Encoder
类似ALBEF,将bert的bottom-6层作为text encoder(top-6层作为fusion encoder),输出特征为

3） PEM 结构
尽管MLM已经证明了其在学习token级文本表示方面的有效性,但设计visually-grounded的任务仍然是一个挑战。因此，视觉推理的有限能力对以前在下游任务上的工作产生了不利影响,尤其是那些需要区域级视觉信息的任务。这对于现有的视频语言预训练模型来说尤其是一个问题，它通常在pooling只保留粗粒度的空间信息,从而丢失细粒度的视觉线索。

ActBERT使用现成的目标校检测器来获取区域特征。除了效率低下之外，使用图像训练的检测器往往会在视频输入上产生不可靠的检测结果。此外,检测器通常使用受限的目标类别（例如，小于 100）进行训练，限制模型的性能。

作者引入了提示实体建模(PEM),用一句话来解释就是参考CLIP,获取视频中出现的视觉元素,作为一个额外的分类监督信号。视觉元素的语料规模主要由名词数目来决定。

三、实验结果

数据集

• 使用 WebVid-2M 和 CC-3M 进行预训练，共 550 万视频 - 文本对。

下游任务评估

• 文本 - 视频检索：在 MSRVTT 和 DiDeMo 数据集上，ALPRO 在微调和零样本设置下均显著优于先前方法。例如，在 MSRVTT 微调检索中，R1 得分达到 33.9%，比之前的 SOTA 提高了约 3%。
• 视频问答：在 MSRVTT-QA 和 MSVD-QA 数据集上，ALPRO 的准确率分别为 42.1% 和 45.9%，超过了许多现有方法。
• 消融实验：验证了 VTC 和 PEM 的有效性，以及提示工程、实体数量和输入帧数等因素对模型性能的影响。
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四、结论与未来工作

贡献

• 提出 ALPRO 框架，首次从稀疏视频帧和文本中学习有效的跨模态表示。
• 引入 VTC 损失以更好地对齐实例级单模态表示，提出 PEM 任务以捕获细粒度区域 - 实体对齐。
• 在多个下游任务上取得了最先进的性能。

未来方向

• 更好的提示工程。
• 考虑时间信息的提示引导区域选择。
• 将 ALPRO 扩展到图像 - 文本表示学习等。