在英特爾開發套件上用OpenVIN實現中文圖文檢索

作者：盧雨畋英特爾邊緣計算創新大使

本文演示了使用OpenVINO與Chinese-Clip進行中文圖文相似性匹配任務：CLIP 模型以自監督的方式在數億或數十億（圖像，文本）對上進行訓練，它從輸入圖像和文本中提取特征向量 embedding，根據特征相似度匹配可完成圖像分類和相似查找任務。CLIP 模型的 zero-shot 分類效果就能達到在 Imagenet 上監督訓練的 ResNet 分類效果，且有更好的泛化和抽象能力。

得益于中文 Clip模型較小的計算開銷與OpenVINO 的優化效果，我們能夠在英特爾開發者套件 AIxBoard 上良好的復現這一推理流程。

本文不會展示所有的代碼，所有資料和代碼的在文末的下載鏈接給出。

英特爾開發者套件

AIxBoard（愛克斯板）

英特爾開發套件AIxBoard（愛克斯板）由 2023 年藍蛙智能推出的人工智能嵌入式開發板，專為支持入門級人工智能應用和邊緣智能設備而設計，是一款面向專業創客、開發者的功能強大的小型計算機。借助OpenVINO工具套件，能夠實現 CPU + iGPU 的高效異構計算推理。

CLIP 原理

CLIP 模型(Contrastive Language-Image Pre-Training) 是來自 OpenAI 的經典圖文表征模型，采用雙塔模型結構（如下圖），利用大規模圖文對平行語料進行對比學習，從而能夠實現圖片和文本的跨模態語義特征抽取。

CLIP 模型基于英文圖文語料，不能用于中文的圖文表征提取場景。得益于達摩院的工作，達摩院的中文 CLIP 以英文 CLIP 視覺側參數和中文 Roberta 參數，作為模型初始化值，使用大規模中文數據進行訓練（~2 億圖文對）；最終可用于中文場景下的圖文檢索和圖像、文本的表征提取，應用于搜索、推薦等應用。

二階段預訓練策略（一階段僅訓練文本側，二階段同時訓練）如下所示：

CLIP 應用

CLIP 可以應用于各類不同的場景：

Zero Shot分類

將圖像與類別文本相比較，以得到最接近的分類結果。（例如：圖像分類）

Retrieval

對于給定的輸入文本和圖像，在大量文本與圖像數據中找到最匹配的結果。（例如：clip-retrieval）

CLIP Guidance

對于圖像生成模型，結合生成結果與輸入文本間的 CLIP 距離生成更好的圖片（例如：VQGAN + CLIP）

CLIP Captioning

利用 CLIP encoding 提取特征，以該特征的映射結果結合 GPT2 生成 caption.（例如：ClipCap）

在本文中，你將學會如何使用中文Clip進行Zero Shot分類，以及處理簡單的文字與圖像檢索任務。

模型下載

為節省時間，這里我直接提供了中文clip onnx模型；你也可以根據導出教程，自行導出onnx模型。值得注意的是，OpenVINO也支持Pytorch模型到 OpenVINO IR的轉換方式，如果有興趣你可以參考轉換教程，與源碼自行轉換直接得到OpenVINO模型。

（注意：在這里我提前導出了base的模型，如果你發現在部分任務下效果不是很好，可以嘗試large模型或者進行微調，中文 Clip的官方倉庫中提供了所有的可參考資料。）

模型的加載與運行

01通用模型類

準備用于結果預測的通用模型類，包括模型的初始化與推理。

OpenVINO 模型初始化有四個主要步驟：

1.初始化 OpenVINO Runtime。

2.從模型文件中讀取網絡和權重（支持pytorch onnx paddle tensorflow vinoIR多種中間格式的直接讀?。?。

3.將模型編譯為設備可用的形式。

4.獲取并準備節點的輸入和輸出名稱。

我們可以將它們放在一個類的構造函數中。為了讓 OpenVINO 自動選擇最佳設備進行推理，只需使用“AUTO”。大多數情況下，最佳設備是“GPU”（性能更好，但啟動時間稍長）。

core = ov.Core()
class VinoModel:
  def init(self, model_path, device=“AUTO”):
    self.model = core.read_model(model=model_path)
    self.input_layer = self.model.input(0)
    self.input_shape = self.input_layer.shape
    self.height = self.input_shape[2]
    self.width = self.input_shape[3]
    print(“input shape:”,self.input_layer.shape)
    print(“input names:”,self.input_layer.names)
    self.compiled_model = core.compile_model(model=self.model, device_name=device)
    self.output_layer = self.compiled_model.output(0)
    print(“output names:”,self.output_layer.names)
  def predict(self, input):
    result = self.compiled_model(input)[self.output_layer]
    return result
img_model = VinoModel(“image_model.onnx”)
txt_model = VinoModel(“text_model.onnx”)

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02預處理

在輸入OpenVINO引擎推理之前，我們需要對數據進行適當的預處理操作，數據預處理函數改變輸入數據的布局和形狀以適配網絡輸入格式。

def preprocess(image:np.ndarray):
  image = cv2.resize(image, (224, 224), interpolation=cv2.INTER_CUBIC).astype(np.float32) / 255.0
  mean = np.array([0.48145466, 0.4578275, 0.40821073])
  std = np.array([0.26862954, 0.26130258, 0.27577711])
  image = (image - mean) / std
  image = np.transpose(image, (2, 0, 1))
  image = np.expand_dims(image,axis=0).astype(np.float32)
  return image

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03核心函數

在核心處理函數中，我們需要分別提取圖像和文本的Embedding特征，歸一化后一一匹配得到最接近的特征結果。

def run_clip(image:np.ndarray,input_strs:List[str]):
  image_features = _img_feature(preprocess(image))
  text_features = _text_feature(input_strs)
  logits_per_image = 100 * np.dot(image_features, text_features.T)
  exp_logits = np.exp(logits_per_image - np.max(logits_per_image, axis=-1, keepdims=True))
  max_logit = exp_logits / np.sum(exp_logits, axis=-1, keepdims=True)
  max_str = input_strs[max_logit.argmax()]
  max_str_logit = max_logit.max()
  return max_str, max_str_logit

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接下來我們將進行Clip模型的推理，我們選擇一個青蛙的圖片作為推理對象。

我們可以初始化一個字符串列表，從而得到該圖最匹配的一個文本信息。

你可以構建一個自己想要進行分類的字符串列表，從而達到在不同任務上分類的目的。

text = [“大象”, “猴子”, “長頸鹿”, “青蛙”]
max_str, max_str_logit = run_clip(image,text)
print(f”最大概率：{max_str_logit}, 對應類別：{max_str}“)

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結果顯示為：

最大概率：0.9436781406402588, 對應類別：青蛙

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你可以根據自己的需求構建不同的分類文本標簽，達到zero shot分類的目的。

除此之外，我們還可以利用OpenVINO提供的Benchmark工具，來更好的觀察Clip模型運行的吞吐量與效率

（注意：你可以將AUTO顯式指定為GPU觀察結果的區別，你也可以嘗試把之前加載的模型重新編譯到GPU觀察性能和結果是否有所區別。）

!benchmark_app-mimage_model.onnx-dAUTO-apisync-t30

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圖文檢索

接下來，我們將結合之前的推理Embedding結果，利用端到端機器學習Embedding開源庫Towhee以及Meta向量數據庫Faiss，構建一個高效的文圖檢索與圖圖檢索引擎。通過在邊緣設備上部署檢索引擎，我們能夠有效地篩選和總結推理檢測結果，從而更好地進行綜合統計分析。

除此之外，Chinese-Clip同時提供了微調的接口，通過對指定商品數據的微調，你可以結合檢索引擎實現一個商品檢索裝置，抑或是端側商品推薦系統。

（注意：這里只是一個范例，你可以使用端側設備得到Embedding但使用云端數據庫進行匹配，又或者是利用它減少端側數據的篩選時間。）

from towhee.operator import PyOperator
from towhee import ops, pipe, DataCollection,register
import glob
@register
class img_embedding(PyOperator):
  def call(self, path):
    image = np.array(Image.open(path).convert(‘RGB’))
    return _img_feature(preprocess(image))[0]
@register
class text_embedding(PyOperator):
  def call(self, input_strs):
    return _text_feature(input_strs)[0]

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通過構建自定義 Towhee ops 進行 pipeline 推理，我們可以很容易進行文圖檢索：

decode = ops.image_decode.cv2(‘rgb’)
text_pipe = (
  pipe.input(‘text’)
  .map(‘text’, ‘vec’, ops.text_embedding())
  # faiss op result format: [[id, score, [file_name], …]
  .map(‘vec’, ‘row’, ops.ann_search.faiss_index(‘./faiss’, 5))
  .map(‘row’, ‘images’, lambda x: [decode(item[2][0]) for item in x])
  .output(‘text’, ‘images’)
)
DataCollection(text_pipe([‘吃東西的人’])).show()

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我們輸出了topk前 5 的結果，你可以根據自己的需求修改需要展示多少相關圖片。

不局限于文圖搜索，我們也可以實現圖圖檢索的功能：

image_pipe = (
  pipe.input(‘img’)
  .map(‘img’, ‘vec’, ops.img_embedding())
  # faiss op result format: [[id, score, [file_name], …]
  .map(‘vec’, ‘row’, ops.ann_search.faiss_index(‘./faiss’, 5))
  .map(‘row’, ‘images’, lambda x: [decode(item[2][0]) for item in x])
  .output(‘img’, ‘images’)
)
DataCollection(image_pipe(‘images/000000005082.jpg’)).show()

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是不是覺得很神奇？即使是小型邊緣設備也能夠運行Clip這樣的大型模型，快通過下方鏈接獲取所有資料，與我一起感受中文Clip與OpenVINO共同帶來的便捷體驗。

審核編輯：湯梓紅