基于CLIP4Clip的DRL的WTI模块实现-编程知识

关于DRL的WTI模块：

Weighted Token-wise Interaction：
直觉上，并非所有的单词和视频帧都同等重要。我们提供一种自适应方法，来调整每个标记的权重大小：

注：其中两个f函数都是MLP和softmax构成。

WTI的算法流程图：
在这里插入图片描述

输入video和text之后分别通过encoder，得到representation
之后使用fusion weights网络计算权重（在这个算法中，文本和视频的嵌入经过文本权重网络和视频权重网络，分别进行 Softmax 操作得到权重向量），
之后将representation进行归一化，
之后计算t2v和v2t的相关度

DRL中的WTI源代码：

def wti_interaction(self, text_feat, video_feat, text_mask, video_mask):if self.training and torch.cuda.is_available():  # 在训练时，且有 GPU 可用时进行批处理合并text_feat = allgather(text_feat, self.config)  # 合并文本特征video_feat = allgather(video_feat, self.config)  # 合并视频特征text_mask = allgather(text_mask, self.config)  # 合并文本掩码video_mask = allgather(video_mask, self.config)  # 合并视频掩码torch.distributed.barrier()  # 强制同步if self.config.interaction == 'wti':  # 如果交互方式为加权令牌级交互# 计算文本权重text_weight = self.text_weight_fc(text_feat).squeeze(2)  # B x N_t x D -> B x N_ttext_weight.masked_fill_(torch.tensor((1 - text_mask), dtype=torch.bool), float("-inf"))  # 将未激活的令牌（padding）设置为负无穷text_weight = torch.softmax(text_weight, dim=-1)  # 对文本权重进行 softmax 操作，以获取归一化的权重值# 计算视频权重video_weight = self.video_weight_fc(video_feat).squeeze(2)  # B x N_v x D -> B x N_vvideo_weight.masked_fill_(torch.tensor((1 - video_mask), dtype=torch.bool), float("-inf"))  # 将未激活的令牌（padding）设置为负无穷video_weight = torch.softmax(video_weight, dim=-1)  # 对视频权重进行 softmax 操作，以获取归一化的权重值text_feat = text_feat / text_feat.norm(dim=-1, keepdim=True)  # 对文本特征进行 L2 归一化video_feat = video_feat / video_feat.norm(dim=-1, keepdim=True)  # 对视频特征进行 L2 归一化# 计算令牌间的交互得分retrieve_logits = torch.einsum('atd,bvd->abtv', [text_feat, video_feat])  # 通过张量乘积计算交互得分retrieve_logits = torch.einsum('abtv,at->abtv', [retrieve_logits, text_mask])  # 融合文本掩码到交互得分retrieve_logits = torch.einsum('abtv,bv->abtv', [retrieve_logits, video_mask])  # 融合视频掩码到交互得分text_sum = text_mask.sum(-1)  # 文本掩码的求和结果video_sum = video_mask.sum(-1)  # 视频掩码的求和结果if self.config.interaction == 'ti':  # 如果交互方式为令牌级交互# 令牌间的交互方式是逐令牌进行t2v_logits, max_idx1 = retrieve_logits.max(dim=-1)  # 最大化视频令牌得分，获得文本到视频的交互得分v2t_logits, max_idx2 = retrieve_logits.max(dim=-2)  # 最大化文本令牌得分，获得视频到文本的交互得分t2v_logits = torch.sum(t2v_logits, dim=2) / (text_sum.unsqueeze(1))  # 对文本令牌得分进行加权平均v2t_logits = torch.sum(v2t_logits, dim=2) / (video_sum.unsqueeze(0))  # 对视频令牌得分进行加权平均retrieve_logits = (t2v_logits + v2t_logits) / 2.0  # 对文本到视频和视频到文本的交互得分进行平均elif self.config.interaction == 'wti':  # 如果交互方式为加权令牌级交互t2v_logits, max_idx1 = retrieve_logits.max(dim=-1)  # 最大化视频令牌得分，获得文本到视频的交互得分t2v_logits = torch.einsum('abt,at->ab', [t2v_logits, text_weight])  # 对文本令牌得分进行加权v2t_logits, max_idx2 = retrieve_logits.max(dim=-2)  # 最大化文本令牌得分，获得视频到文本的交互得分v2t_logits = torch.einsum('abv,bv->ab', [v2t_logits, video_weight])  # 对视频令牌得分进行加权retrieve_logits = (t2v_logits + v2t_logits) / 2.0  # 对文本到视频和视频到文本的交互得分进行平均if self.training:# 缩放检索得分logit_scale = self.clip.logit_scale.exp()retrieve_logits = logit_scale * retrieve_logits# 如果配置为 1，应用特定的损失函数if self.config.cdcr == 1:# ...（这部分代码用于特定的损失函数，返回对应的损失）# 如果配置为 2，应用另一种特定的损失函数elif self.config.cdcr == 2:# ...（这部分代码用于另一种特定的损失函数，返回对应的损失）# 如果配置为 3，应用另一种特定的损失函数elif self.config.cdcr == 3:# ...（这部分代码用于另一种特定的损失函数，返回对应的损失）else:return retrieve_logits, retrieve_logits.T, 0.0  # 返回检索得分else:return retrieve_logits, retrieve_logits.T, 0.0  # 返回检索得分

怎么把这个加进CLIP4Clip去？
发现DRL中的wit在get_similarity_logits()函数中被refer了，在modeling.py中
而CLIP4Clip中的modeling.py文件中同样含有函数get_similarity_logits()，思考怎么插入

get_similarity_logits()在DRL的调用位置：

def _run_on_single_gpu(model, t_mask_list, v_mask_list, t_feat_list, v_feat_list, mini_batch=32):sim_matrix = []  # 创建一个空列表，用于存储相似度矩阵的结果logger.info('[start] map to main gpu')  # 记录日志，表示开始将数据映射到主 GPUbatch_t_mask = torch.split(t_mask_list, mini_batch)  # 将文本掩码列表分割成小批次batch_v_mask = torch.split(v_mask_list, mini_batch)  # 将视频掩码列表分割成小批次batch_t_feat = torch.split(t_feat_list, mini_batch)  # 将文本特征列表分割成小批次batch_v_feat = torch.split(v_feat_list, mini_batch)  # 将视频特征列表分割成小批次logger.info('[finish] map to main gpu')  # 记录日志，表示完成数据映射到主 GPUwith torch.no_grad():  # 使用无梯度的上下文环境进行计算for idx1, (t_mask, t_feat) in enumerate(zip(batch_t_mask, batch_t_feat)):  # 遍历文本特征和掩码的小批次each_row = []  # 创建一个空列表，用于存储每行的结果for idx2, (v_mask, v_feat) in enumerate(zip(batch_v_mask, batch_v_feat)):  # 遍历视频特征和掩码的小批次# 计算文本特征和视频特征之间的相似度得分b1b2_logits, *_tmp = model.get_similarity_logits(t_feat, v_feat, t_mask, v_mask)# 将相似度得分转移到 CPU 上，并转换为 NumPy 数组b1b2_logits = b1b2_logits.cpu().detach().numpy()each_row.append(b1b2_logits)  # 将得到的相似度得分添加到每行的结果中# 将每个批次计算的相似度得分按照批次连接起来（水平连接）each_row = np.concatenate(tuple(each_row), axis=-1)sim_matrix.append(each_row)  # 将每行的结果添加到相似度矩阵列表中return sim_matrix  # 返回计算得到的相似度矩阵

同时，get_similarity_logits()在CLIP4Clip中的调用位置：

def _run_on_single_gpu(model, batch_list_t, batch_list_v, batch_sequence_output_list, batch_visual_output_list):sim_matrix = []  # 创建一个空列表，用于存储相似度矩阵的结果for idx1, b1 in enumerate(batch_list_t):  # 遍历文本特征列表input_mask, segment_ids, *_tmp = b1  # 解包文本特征列表的元素sequence_output = batch_sequence_output_list[idx1]  # 获取对应序列输出列表的元素each_row = []  # 创建一个空列表，用于存储每行的结果for idx2, b2 in enumerate(batch_list_v):  # 遍历视频特征列表video_mask, *_tmp = b2  # 解包视频特征列表的元素visual_output = batch_visual_output_list[idx2]  # 获取对应视觉输出列表的元素# 计算文本特征和视频特征之间的相似度得分b1b2_logits, *_tmp = model.get_similarity_logits(sequence_output, visual_output, input_mask, video_mask,loose_type=model.loose_type)# 将相似度得分转移到 CPU 上，并转换为 NumPy 数组b1b2_logits = b1b2_logits.cpu().detach().numpy()each_row.append(b1b2_logits)  # 将得到的相似度得分添加到每行的结果中each_row = np.concatenate(tuple(each_row), axis=-1)  # 将每个批次计算的相似度得分按照批次连接起来（水平连接）sim_matrix.append(each_row)  # 将每行的结果添加到相似度矩阵列表中return sim_matrix  # 返回计算得到的相似度矩阵

发现：
在这里插入图片描述
通过下图发现wti_interaction和_loose_similarity这两个函数调用都是在计算retrieve_logits
现在的工作是将wti_interaction的计算retrieval logits的步骤加入到_loose_similarity中
其实这个wti_interaction中的步骤就是上面的算法流程图的步骤

阅读CLIP4Clip代码：
发现有几个Encoder：CLIP Encoder以及Cross Encoder以及Transformer Encoder
cross encoder一般表示两个内容的相关程度

forward(): 模型的前向传播过程，在训练模式下计算损失值以进行模型训练，而在评估模式下则不返回任何损失。

感觉有点乱，因为代码中很少有注释，变量名还不是很有代表性（比如b、bs等等）
直接尝试以下移植过去怎么样。

发现CLIP4Clip和DRL的modeling.py都有以下的同步代码：

        if self.training and torch.cuda.is_available():  # batch merge heretext_feat = allgather(text_feat, self.config)video_feat = allgather(video_feat, self.config)video_mask = allgather(video_mask, self.config)torch.distributed.barrier()  # force sync

可以从这个为出发点，同步这两个代码的相同部分。

看了半天，对于二者来说，都是类似的过程：
最重要的其实是突破口在于forward函数
forward函数调用get_similarity_logits，而DRL中的get_similarity_logits中则调用了wti_interaction

CLIP4Clip中以下的计算output的代码应该对应于DRL中计算feature的代码：
sequenceDiagram_output, visual_output = self.get_sequence_visual_output(input_ids, token_type_ids, attention_mask, video, video_mask, shaped=True, video_frame=video_frame)(CLIP4Clip)
text_feat, video_feat = self.get_text_video_feat(text_ids, text_mask, video, video_mask, shaped=True)(DRL)

第一处最大的区别就是get_similarity_logits这个函数的输出不一样：
在这里插入图片描述
进入到具体的函数中发现确实是不一样：

发现sequence_output和text_feature是一样的，visual_output和video_feature是一样的：

之后计算loss的过程也都大同小异：

进入到get_similarity_logits函数之后，发现里面的区别在于_loose_similarity和wti_interaction
在这里插入图片描述
分别看一下loose_similarity以及wti_interaction的两个代码区别：

两者的输入应该是差不多的，都是两个模态的特征以及掩码mask

mean pooling的选项中，有关于其他选项的一些处理都被略过了。
首先二者都是先进行了一次同步操作
在这里插入图片描述
后面这块除了加入了平均池化之外，剩余的内容都是差不多的

运行DRL，发现它的读取json文件的标签出错了，因此报错了：

Traceback (most recent call last):File "/mnt/cloud_disk/fw/DRL/main.py", line 552, in <module>main()File "/mnt/cloud_disk/fw/DRL/main.py", line 496, in maintest_dataloader, val_dataloader, train_dataloader, train_sampler = build_dataloader(args)File "/mnt/cloud_disk/fw/DRL/main.py", line 166, in build_dataloadertrain_dataloader, train_length, train_sampler = DATALOADER_DICT[args.datatype]["train"](args, tokenizer)File "/mnt/cloud_disk/fw/DRL/tvr/dataloaders/data_dataloaders.py", line 7, in dataloader_msrvtt_trainmsrvtt_dataset = MSRVTTDataset(File "/mnt/cloud_disk/fw/DRL/tvr/dataloaders/dataloader_msrvtt_retrieval.py", line 19, in __init__super(MSRVTTDataset, self).__init__(subset, anno_path, video_path, tokenizer, max_words,File "/mnt/cloud_disk/fw/DRL/tvr/dataloaders/dataloader_retrieval.py", line 45, in __init__self.video_dict, self.sentences_dict = self._get_anns(self.subset)File "/mnt/cloud_disk/fw/DRL/tvr/dataloaders/dataloader_msrvtt_retrieval.py", line 43, in _get_annsfor itm in data['sentences']:
KeyError: 'sentences'

发现是json读取的时候标签中并没有sentences这个标签
发现这个json文件中的标签如下：
在这里插入图片描述
是data[‘annotations’]中的标签data[‘annotations’][‘caption’]以及[‘image_id’]
修改后如下：

重新安装numpy版本，发现以下bug:

(drl) lry@v100s003:/mnt/cloud_disk/fw/anaconda3/envs/drl/lib/python3.9/site-packages$ rm -r '~umpy.libs'
rm: cannot remove '~umpy.libs/.nfs000000008678fc7a000000d1': Device or resource busy
rm: cannot remove '~umpy.libs/.nfs000000008678fc7c000000d2': Device or resource busy
rm: cannot remove '~umpy.libs/.nfs000000008678fc7e000000d3': Device or resource busy

发现应该是我在vscode中的调试进程没有关闭，因此会有临时文件的残余被占用，无法rm；
在停止了调试进程后，就可以删除了。

事实证明DRL的文档写的真的很详细，直接照着做，就可以了（除了那个json标签出错的以及numpy需要更新版本）
在这里插入图片描述

之后发现cuda oom，结果是僵尸进程的问题：

fuser -v /dev/nvidia*

上面命令出现nvidia的僵尸进程：

(drl) xxx@v100s003:/xxx/DRL$ fuser -v /dev/nvidia*USER        PID ACCESS COMMAND
/dev/nvidia0:        xxx       3551238 F...m pythonxxx       3551797 F...m pythonxxx       3552245 F...m pythonxxx       3554186 F...m python
/dev/nvidia1:        xxx       3551238 F...m pythonxxx       3551797 F...m pythonxxx       3552245 F...m pythonxxx       3554186 F...m python
/dev/nvidia2:        xxx       3551238 F...m pythonxxx       3551797 F...m pythonxxx       3552245 F...m pythonxxx       3554186 F...m python
/dev/nvidia3:        xxx       3551238 F...m pythonxxx       3551797 F...m pythonxxx       3552245 F...m pythonxxx       3554186 F...m python
/dev/nvidia4:        xxx       3551238 F.... pythonxxx       3551797 F.... pythonxxx       3552245 F.... pythonxxx       3554186 F.... python
/dev/nvidia5:        xxx       3551238 F.... pythonxxx       3551797 F.... python.........

之后运行 kil -9 进程号进程号 ... 即可
（详细见我的知乎回答：为什么用pytorch cuda，明明显存很够用，却报错out of memory？）

之后就可以查看DRL的tensor的size了：

        if self.config.interaction == 'wti':# print("text_feat",text_feat.size()) # [batch_size(128), 32(max_words), 512]text_weight = self.text_weight_fc(text_feat).squeeze(2)  # B x N_t x D -> B x N_t# print("text_weight_0",text_weight.size()) # [128, 32]# print("text_mask",text_mask.size()) # [128, 32]text_weight.masked_fill_(torch.tensor((1 - text_mask), dtype=torch.bool), float("-inf"))# print("text_weight_1",text_weight.size()) # [128, 32]text_weight = torch.softmax(text_weight, dim=-1)  # B x N_t# print("text_weight_2",text_weight.size()) # [128, 32]# print("video_feat",video_feat.size()) # [128, 12, 512]video_weight = self.video_weight_fc(video_feat).squeeze(2) # B x N_v x D -> B x N_v# print("video_weight_0",text_weight.size()) # [128, 32]# print("video_mask",text_mask.size()) # [128, 32]video_weight.masked_fill_(torch.tensor((1 - video_mask), dtype=torch.bool), float("-inf"))# print("video_weight_1",text_weight.size()) # [128, 32]video_weight = torch.softmax(video_weight, dim=-1)  # B x N_v# print("video_weight_2",text_weight.size()) # [128, 32]

而我们可以借此机会看一下CLIP4Clip的几个Tensor的shape是什么样的
CLIP4Clip的参数使用默认的：

DATA_PATH=[Your MSRVTT data and videos path]
python -m torch.distributed.launch --nproc_per_node=4 \
main_task_retrieval.py --do_train --num_thread_reader=0 \
--epochs=5 --batch_size=128 --n_display=50 \
--train_csv ${DATA_PATH}/MSRVTT_train.9k.csv \
--val_csv ${DATA_PATH}/MSRVTT_JSFUSION_test.csv \
--data_path ${DATA_PATH}/MSRVTT_data.json \
--features_path ${DATA_PATH}/MSRVTT_Videos \
--output_dir ckpts/ckpt_msrvtt_retrieval_looseType \
--lr 1e-4 --max_words 32 --max_frames 12 --batch_size_val 16 \
--datatype msrvtt --expand_msrvtt_sentences  \
--feature_framerate 1 --coef_lr 1e-3 \
--freeze_layer_num 0  --slice_framepos 2 \
--loose_type --linear_patch 2d --sim_header meanP \
--pretrained_clip_name ViT-B/32

我们发现video_mask的大小为torch.Size([16, 1, 12])，这个和DRL的有所不同，第一个16应该是batch_size_val那个，而为什么第二个维度是1，第三个维度是12？这个导致和后面的visual_output不兼容？
attention_mask的大小是torch.Size([16, 32])
sequence_output的大小是torch.Size([16, 1, 512])，经过了squeeze之后变成torch.Size([16, 512])
visual_output的大小是torch.Size([16, 12, 512])，经过了visual_output = self._mean_pooling_for_similarity_visual(visual_output, video_mask)之后就会变成torch.Size([16, 512])
其中一些变量的大小：
在这里插入图片描述
发现b是16，和batch_size_val一致；
而bs是12，和max_frames一致；