超越CVPR 2024方法，DynRefer在区域级多模态识别任务上，多项SOTA

为了实现高精度的区域级多模态理解，本文提出了一种动态分辨率方案来模拟人类视觉认知系统。

本文作者来自中国科学院大学LAMP实验室，其中第一作者赵毓钟是中国科学院大学2023级博士生，共同作者刘峰是中国科学院大学2020级直博生。他们的主要研究方向是视觉语言模型和视觉目标感知。

简介

DynRefer 通过模拟人类视觉认知过程，显着提升了区域级多模态识别能力。通过引入人眼的动态分辨率机制，DynRefer 能够以单个模型同时完成区域识别、区域属性检测和区域字幕生成（region-level captioning）任务，并在上述任务都取得 SOTA 性能。其中在 RefCOCOg 数据集的 region-level captioning 任务上取得了 115.7 CIDEr，显着高于 RegionGPT，GlaMM，Osprey，Alpha-CLIP 等 CVPR 2024 的方法。

• 论文标题：DynRefer: Delving into Region-level Multi-modality Tasks via Dynamic Resolution
• 论文链接：https://arxiv.org/abs/2405.16071
• 论文代码：https ://github.com/callsys/DynRefer

动机

区域级多模态任务致力于将指定的图像区域转换为符合人类偏好的语言描述。人类完成区域级多模态任务时具有一种分辨率自适应能力，即关注区域是高分辨率的，非关注区域是低分辨率的。然而，目前的区域级多模态大语言模型往往采用固定分辨率编码的方案，即对整张图像进行编码，然后通过 RoI Align 将区域特征提取出来。这种做法缺乏人类视觉认知系统中的分辨率自适应能力，对关注区域的编码效率和能力较低。为了实现高精度的区域级多模态理解，我们提出了一种动态分辨率方案来模拟人类视觉认知系统，如下图所示。

                           ^{图 1：传统的区域级多模态方法（左）与 DynRefer 方法（右）的比较。}

方法

1、模拟动态分辨率的图像（Multi-view construction）。由于主流的预训练视觉语言模型（CLIP）只能接收均匀分辨率的输入，我们通过构造多个均匀分辨率的视图来模拟一幅动态分辨率图像。该图像在指代区域具有高分辨率，而在非指代区域低分辨率。具体流程如图 2 上。原始图像 x 被裁剪并调整大小为多个候选视图。裁剪区域的计算方式为 ，其中。这里的表示参考区域的边界框，表示整个图像的尺寸，t 表示插值系数。在训练过程中，我们从候选视图中随机选择 n 个视图，以模拟由于注视和眼球快速运动而生成的图像。这些 n 个视图对应于插值系数 t，即。我们固定保留仅包含参考区域的视图（即）。经实验证明该视图有助于保留区域细节，对于所有区域多模态任务都至关重要。

                            ^{图 2：DynRefer 训练（上）与 推理（下）。}

2、随机动态视图嵌入（Stochastic Multi-view Embedding）。具体流程如图 3 所示。采样的 n 个视图通过冻结的 CLIP 编码成空间特征，然后经过 RoI-Align 模块处理，以获取区域嵌入，即。如图 3 左侧所示。由于裁剪、调整大小和 RoI-Align 引入的空间误差，这些区域嵌入在空间上并不对齐。受 deformable convolution 操作启发，我们提出了一个对齐模块，通过将 对齐到 来减少偏差，其中 是仅包含参考区域的视图编码的区域嵌入。对于每个区域嵌入，首先将其与 连接，然后通过卷积层计算一个二维偏移图。的空间特征然后根据二维偏移重新采样。最后，对齐后的区域嵌入沿通道维度连接并通过 linear 层进行融合。输出进一步通过视觉重采样模块，即 Q-former，进行压缩，从而提取原始图像 x 的参考区域 的区域表示（图 3 中的）。

                             ^{图 3：DynRefer 网络结构}

3、视觉语言对齐 (Vision-language Alignment)。通过随机多视图嵌入模块计算得到的区域表示，由三个解码器解码，如图 3（右）所示，分别受三个多模态任务的监督：

i) 图像区域标签生成。我们采用基于查询的轻量级识别解码器进行区域标签生成。解码器  如图 3（右侧）所示。通过使用标签作为查询，作为键和值，计算预定义标记的置信度来完成标记过程。我们从真值字幕中解析出标签，以监督识别解码器。ii) 区域 - 文本对比学习。类似于区域标记解码器，解码器 定义为基于查询的识别解码器。该解码器计算字幕与区域特征之间的相似性分数，使用 SigLIP loss 进行监督。iii) 语言建模。我们采用预训练的大语言模型 将区域表示 转换为语言描述。

^{图 4：双视图（n=2）DynRefer 模型在区域级多模态任务上的表现。在不同的插值系数 t 下,。视图一是固定的（），视图二随机选择或固定。}

4、在推理过程中，经过训练的 DynRefer 模型通过动态分辨率在图像上执行多模态任务。通过调整采样的 n 个视图的插值系数，我们可以得到具有动态分辨率特性的区域表示。为了评估不同动态分辨率下的特性，我们训练了一个双视图（n=2）的 DynRefer 模型，并在四个多模态任务上进行评估。从图 4 中的曲线可以看出，对于没有上下文信息的视图（），属性检测（Attribute detection）获得了更好的结果。这可以解释为这种任务通常需要详细的区域信息。而对于区域级字幕（Region-level captioning）和密集字幕生成（Dense captioning）任务，需要上下文丰富的视图（ ），以便完整理解参考区域。需要注意的是，过多上下文的视图（）会降低所有任务的性能，因为它们引入了过多与区域无关的信息。当已知任务类型时，我们可以根据任务特性采样适当的视图。当任务类型未知时，我们首先构建一组在不同插值系数 t 下的候选视图集合，。从候选集中，通过贪婪搜索算法采样 n 个视图。搜索的目标函数定义为：

其中表示第 i 个视图的插值系数，表示第 i 个视图，pHASH (・) 表示感知图像哈希函数，表示异或操作。为了从全局视角比较视图的信息，我们利用 "pHASH (・)" 函数将视图从空间域转换到频域，然后编码成哈希码。对于这一项，我们减少上下文丰富视图的权重，以避免引入过多冗余信息。

实验

Region-level Captioning

在区域字幕生成任务，DynRefer 以更小的模型（4.2B v.s. 7B），在 RefCOCOg 和 VG 两个数据集上、在 METEOR 和 CIDEr 两个指标上都显著超过了 CVPR 2024 中的众多方法，如 RegionGPT，GlaMM，Alpha-CLIP 和 Osprey 等，展现出 DynRefer 巨大的性能优势。

Dense Captioning

在密集字幕生成任务，在 VG1.2 数据集，DynRefer 相较之前的 SOTA 方法 GRiT 提升了 7.1% mAP。

Open Vocabulary Attribute Detection

在区域属性检测任务，DynRefer 也取得了 SOTA 的性能。

Open Vocabulary Region Recognition

在区域识别任务，DynRefer 比 CVPR 24 的 RegionGPT 提升了 15% mAP 和 8.8% Accuracy，比 ICLR 24 的 ASM 高 15.7% mAP。

消融实验

• Line 1-6：随机动态多视图要优于固定视图。
• Line 6-10：通过最大化信息选择视图优于随机选择视图。
• Line 10-13：多任务训练可以学习得到更好的区域表征。

可视化

下面几张图展示了 DynRefer 的推理结果，DynRefer 可以用一个模型同时输出区域字幕、标签、属性和类别。

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