剑桥团队开源：首个预训练通用多模态后期交互知识检索器

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背景

尽管多模态大模型（例如 GPT4-Vision、Gemini 等）展现出了强大的通用图文理解能力，它们在回答需要专业知识的问题时表现依然不尽人意。即使 GPT4-Vision 也无法回答知识密集型问题（图一上），这成为了很多企业级落地应用的瓶颈。

图 1：GPT4-Vision 在 PreFLMR 多模态知识检索器的帮助下可以获得相关知识，生成正确的答案。图中展示了模型的真实输出。

针对这个问题，检索增强生成（RAG，Retrieval-Augmented Generation）提供了一个简单有效的让多模态大模型成为” 领域专家” 的方案：首先，一个轻量的知识检索器（Knowledge Retriever）从专业数据库（例如 Wikipedia 或企业知识库）中获得相关的专业知识；然后，大模型将这些知识和问题一起作为输入，生成准确的答案。多模态知识提取器的知识 “召回能力” 直接决定了大模型在回答推理时能否获得准确的专业知识。

近期，剑桥大学信息工程系人工智能实验室完整开源了首个预训练、通用多模态后期交互知识检索器 PreFLMR（Pre-trained Fine-grained Late-interaction Multi-modal Retriever）。相比以往常见的模型，PreFLMR 有以下特点：

1.PreFLMR 是一个可以解决文文检索，图文检索，知识检索等多个子任务的通用预训练模型。该模型经过百万级的多模态数据预训练后，在多个下游检索任务中取得了优秀的表现。同时，作为一个优秀的基底模型，PreFLMR 在私有数据上稍加训练就能够获得表现极佳的领域专用模型。

图 2：PreFLMR 模型同时在多项任务上取得极佳的多模态检索表现，是一个极强的预训练基底模型。

2. 传统的密集文本检索（Dense Passage Retrieval, DPR）只使用一个向量表征问询（Query）或文档（Document）。剑桥团队在 NeurIPS 2023 发表的 FLMR 模型证明了 DPR 的单向量表征设计会导致细粒度信息损失，导致 DPR 在需要精细信息匹配的检索任务上表现不佳。尤其是在多模态任务中，用户的问询（Query）包含复杂场景信息，压缩至一维向量极大抑制了特征的表达能力。PreFLMR 继承并改进了 FLMR 的结构，使其在多模态知识检索中有得天独厚的优势。

图 3：PreFLMR 在字符级别（Token level）上编码问询（Query，左侧 1、2、3）和文档（Document，右侧 4），相比于将所有信息压缩至一维向量的 DPR 系统有信息细粒度上的优势。

3.PreFLMR 能够根据用户输入的指令（例如 “提取能用于回答以下问题的文档” 或 “提取与图中物品相关的文档”），从庞大的知识库中提取相关的文档，帮助多模态大模型大幅提升在专业知识问答任务上的表现。

图 4：PreFLMR 可以同时处理图片提取文档、根据问题提取文档、根据问题和图片一起提取文档的多模态问询任务。

剑桥大学团队开源了三个不同规模的模型，模型的参数量由小到大分别为：PreFLMR_ViT-B (207M)、PreFLMR_ViT-L (422M)、PreFLMR_ViT-G (2B)，供使用者根据实际情况选取。

除了开源模型 PreFLMR 本身，该项目还在该研究方向做出了两个重要贡献：

下文将简略介绍 M2KR 数据集，PreFLMR 模型和实验结果分析。

M2KR 数据集

为了大规模预训练和评估通用多模态检索模型，作者汇编了十个公开的数据集并将其转换为统一的问题 - 文档检索格式。这些数据集的原本任务包括图像描述（image captioning），多模态对话（multi-modal dialogue）等等。下图展示了其中五个任务的问题（第一行）和对应文档（第二行）。

图 5：M2KR 数据集中的部分知识提取任务

PreFLMR 检索模型

图 6：PreFLMR 的模型结构。问询（Query）被编码为 Token-level 的特征。PreFLMR 对问询矩阵中的每一个向量，找到文档矩阵中的最近向量并计算点积，然后对这些最大点积求和得到最后的相关度。

PreFLMR 模型基于发表于 NeurIPS 2023 的 Fine-grained Late-interaction Multi-modal Retriever (FLMR) 并进行了模型改进和 M2KR 上的大规模预训练。相比于 DPR，FLMR 和 PreFLMR 用由所有的 token 向量组成的矩阵对文档和问询进行表征。Tokens 包含文本 tokens 和投射到文本空间中的图像 tokens。后期交互（late interaction）是一种高效计算两个表征矩阵之间相关性的算法。具体做法为：对问询矩阵中的每一个向量，找到文档矩阵中的最近向量并计算点积。然后对这些最大点积求和得到最后的相关度。这样，每个 token 的表征都可以显式地影响最终的相关性，以此保留了 token-level 的细粒度（fine-grained）信息。得益于专门的后期交互检索引擎，PreFLMR 在 40 万文档中提取 100 个相关文档仅需 0.2 秒，这极大地提高了 RAG 场景中的可用性。

PreFLMR 的预训练包含以下四个阶段：

同时，作者展示了 PreFLMR 可以在子数据集（如 OK-VQA、Infoseek）上进一步微调以在特定任务上获得更好的检索性能。

实验结果和纵向扩展

最佳检索结果：表现最好的 PreFLMR 模型使用 ViT-G 作为图像编码器和 ColBERT-base-v2 作为文本编码器，总计二十亿参数。它在 7 个 M2KR 检索子任务（WIT，OVEN，Infoseek， E-VQA，OKVQA 等）上取得了超越基线模型的表现。

扩展视觉编码更加有效：作者发现将图像编码器 ViT 从 ViT-B（86M）升级到 ViT-L（307M）带来了显著的效果提升，但是将文本编码器 ColBERT 从 base（110M）扩展到 large（345M）导致表现下降并造成了训练不稳定问题。实验结果表明对于后期交互多模态检索系统，增加视觉编码器的参数带来的回报更大。同时，使用多层 Cross-attention 进行图像 - 文本投射的效果与使用单层相同，因此图像 - 文本投射网络的设计并不需要过于复杂。

PreFLMR 让 RAG 更加有效：在知识密集型视觉问答任务上，使用 PreFLMR 进行检索增强大大提高了最终系统的表现：在 Infoseek 和 EVQA 上分别达到了 94% 和 275% 的效果提升，经过简单的微调，基于 BLIP-2 的模型能够击败千亿参数量的 PALI-X 模型和使用 Google API 进行增强的 PaLM-Bison+Lens 系统。

结论

剑桥人工智能实验室提出的 PreFLMR 模型是第一个开源的通用后期交互多模态检索模型。经过在 M2KR 上的百万级数据预训练，PreFLMR 在多项检索子任务中展现出强劲的表现。M2KR 数据集，PreFLMR 模型权重和代码均可以在项目主页 https://preflmr.github.io/ 获取。

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