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# CLIP[[clip]]

## 개요[[overview]]

CLIP 모델은 Alec Radford, Jong Wook Kim, Chris Hallacy, Aditya Ramesh, Gabriel Goh,
Sandhini Agarwal, Girish Sastry, Amanda Askell, Pamela Mishkin, Jack Clark, Gretchen Krueger, Ilya Sutskever가 제안한 [자연어 지도(supervision)를 통한 전이 가능한 시각 모델 학습](https://arxiv.org/abs/2103.00020)라는 논문에서 소개되었습니다. CLIP(Contrastive Language-Image Pre-Training)은 다양한 이미지와 텍스트 쌍으로 훈련된 신경망 입니다. GPT-2와 3의 제로샷 능력과 유사하게, 해당 작업에 직접적으로 최적화하지 않고도 주어진 이미지에 대해 가장 관련성 있는 텍스트 스니펫을 예측하도록 자연어로 지시할 수 있습니다.

해당 논문의 초록입니다.

*최신 컴퓨터 비전 시스템은 미리 정해진 고정된 객체 카테고리 집합을 예측하도록 훈련됩니다. 이러한 제한된 형태의 지도는 다른 시각적 개념을 지정하기 위해 추가적인 라벨링된 데이터가 필요하므로 그 일반성과 사용성을 제한합니다. 이미지 원시 텍스트에서 직접 학습하는 것은 훨씬 더 광범위한 지도 소스를 활용하는 아주 좋은 대안입니다. 이미지와 캡션을 맞추는 간단한 사전 학습 작업이, 인터넷에서 수집한 4억 쌍의 이미지-텍스트 데이터셋에서 SOTA 수준의 이미지 표현을 처음부터 효율적이고 확장 가능하게 학습하는 방법임을 확인할 수 있습니다. 사전 훈련 후, 자연어는 학습된 시각적 개념을 참조하거나 새로운 개념을 설명하는 데 사용되어 모델의 하위 작업으로의 제로샷 전이를 가능하게 합니다. 해당 논문에서는 OCR, 비디오 내 행동 인식, 지리적 위치 파악, 그리고 많은 종류의 세밀한 객체 분류 등 30개 이상의 다양한 기존 컴퓨터 비전 데이터셋에 대한 벤치마킹을 통해 이 접근 방식의 성능을 연구합니다. 이 모델은 대부분의 작업에 대해 의미 있게 전이되며, 종종 데이터셋별 훈련 없이도 완전 지도 학습 기준선과 경쟁력 있는 성능을 보입니다. 예를 들어, ImageNet에서 원래 ResNet-50의 정확도를 제로샷으로 일치시키는데, 이는 ResNet-50이 훈련된 128만 개의 훈련 예제를 전혀 사용할 필요가 없었습니다. 코드 및 사전 훈련된 모델 가중치는 이 https URL에서 공개합니다.*

이 모델은 [valhalla](https://huggingface.co/valhalla)에 의해 기여되었습니다. 
원본 코드는 [이곳](https://github.com/openai/CLIP)에서 확인할 수 있습니다.

## 사용 팁과 예시[[usage-tips-and-example]]

CLIP은 멀티모달 비전 밒 언어 모델입니다. 이미지-텍스트 유사도 계산과 제로샷 이미지 분류에 사용될 수 있습니다. CLIP은 ViT와 유사한 트랜스포머를 사용하여 시각적 특징을 추출하고, 인과적 언어 모델을 사용하여 텍스트 특징을 추출합니다. 그 후 텍스트와 시각적 특징 모두 동일한 차원의 잠재(latent) 공간으로 투영됩니다. 투영된 이미지와 텍스트 특징 사이의 내적이 유사도 점수로 사용됩니다.

트랜스포머 인코더에 이미지를 입력하기 위해, 각 이미지는 고정 크기의 겹치지 않는 패치들의 시퀀스로 분할되고, 이후 선형 임베딩됩니다. [CLS]토큰이 전체 이미지의 표현으로 추가됩니다. 저자들은 또한 절대 위치 임베딩을 추가하고, 결과로 나온 벡터 시퀀스를 표준 트랜스포머 인토더에 입력합니다. [`CLIPImageProcessor`]는 모델을 위해 이미지를 리사이즈(또는 재스캐일링)하고 정규화하는데 사용될 수 있습니다.

[`CLIPTokenizer`]는 텍스트를 인코딩하는데 사용됩니다. [`CLIPProcessor`]는 [`CLIPImageProcessor`]와 [`CLIPTokenizer`]를 하나의 인스턴스로 감싸서 텍스트를 인코딩하고 이미지를 준비하는데 모두 사용됩니다. 

다음 예시는 [`CLIPProcessor`]와 [`CLIPModel`]을 사용하여 이미지-텍스트 유사도 점수를 얻는 방법을 보여줍니다.


```python
>>> from PIL import Image
>>> import requests

>>> from transformers import CLIPProcessor, CLIPModel

>>> model = CLIPModel.from_pretrained("openai/clip-vit-base-patch32")
>>> processor = CLIPProcessor.from_pretrained("openai/clip-vit-base-patch32")

>>> url = "http://images.cocodataset.org/val2017/000000039769.jpg"
>>> image = Image.open(requests.get(url, stream=True).raw)

>>> inputs = processor(text=["a photo of a cat", "a photo of a dog"], images=image, return_tensors="pt", padding=True)

>>> outputs = model(**inputs)
>>> logits_per_image = outputs.logits_per_image  # 이미지-텍스트 유사성 점수
>>> probs = logits_per_image.softmax(dim=1)  # 확률을 레이블링 하기위해서 소프트맥스를 취합니다.
```


### CLIP과 플래시 어텐션2 결합[[combining-clip-and-flash-attention-2]]

먼저 최신버전의 플래시 어텐션2를 설치합니다.

```bash
pip install -U flash-attn --no-build-isolation
```

플래시 어텐션2와 호환되는 하드웨어를 가지고 있는지 확인하세요. 이에 대한 자세한 내용은 flash-attn 리포지토리의 공식문서에서 확인할 수 있습니다. 또한 모델을 반정밀도(`torch.float16`)로 로드하는 것을 잊지 마세요.

<Tip warning={true}>

작은 배치 크기를 사용할 때, 플래시 어텐션을 사용하면 모델이 느려지는 것을 느낄 수 있습니다.아래의 [플래시 어텐션과 SDPA를 사용한 예상 속도 향상](#Expected-speedups-with-Flash-Attention-and-SDPA) 섹션을 참조하여 적절한 어텐션 구현을 선택하세요.

</Tip>

플래시 어텐션2를 사용해서 모델을 로드하고 구동하기 위해서 다음 스니펫을 참고하세요:

```python
>>> import torch
>>> import requests
>>> from PIL import Image

>>> from transformers import CLIPProcessor, CLIPModel

>>> device = "cuda"
>>> torch_dtype = torch.float16

>>> model = CLIPModel.from_pretrained(
...     "openai/clip-vit-base-patch32",
...     attn_implementation="flash_attention_2",
...     device_map=device,
...     torch_dtype=torch_dtype,
... )
>>> processor = CLIPProcessor.from_pretrained("openai/clip-vit-base-patch32")

>>> url = "http://images.cocodataset.org/val2017/000000039769.jpg"
>>> image = Image.open(requests.get(url, stream=True).raw)

>>> inputs = processor(text=["a photo of a cat", "a photo of a dog"], images=image, return_tensors="pt", padding=True)
>>> inputs.to(device)

>>> with torch.no_grad():
...     with torch.autocast(device):
...         outputs = model(**inputs)

>>> logits_per_image = outputs.logits_per_image  # 이미지-텍스트 유사성 점수
>>> probs = logits_per_image.softmax(dim=1)  # 확률을 레이블링 하기위해서 소프트맥스를 취합니다.
>>> print(probs)
tensor([[0.9946, 0.0052]], device='cuda:0', dtype=torch.float16)
```


### 스케일된 내적 어텐션 (Scaled dot-product Attention(SDPA)) 사용하기[[using-scaled-dot-product-attention-sdpa]]

파이토치는 `torch.nn.functional`의 일부로 네이티브 스케일된 내적 어텐션(SPDA) 연산자를 포함하고 있습니다. 이 함수는 입력과 사용 중인 하드웨어에 따라 적용될 수 있는 여러 구현을 포함합니다. 자세한 정보는 [공식문서](https://pytorch.org/docs/stable/generated/torch.nn.functional.scaled_dot_product_attention.html)나 [GPU 추론](https://huggingface.co/docs/transformers/main/en/perf_infer_gpu_one#pytorch-scaled-dot-product-attention) 페이지를 참조하세요.

`torch>=2.1.1`에서는 구현이 가능할 때 SDPA가 기본적으로 사용되지만, `from_pretrained()` 함수에서 `attn_implementation="sdpa"`를 설정하여 SDPA를 명시적으로 사용하도록 요청할 수도 있습니다.

```python
from transformers import CLIPModel

model = CLIPModel.from_pretrained("openai/clip-vit-base-patch32", torch_dtype=torch.float16, attn_implementation="sdpa")
```

최고의 속도향상을 위해서, 반정밀도로 모델을 로드하는 것을 추천합니다. (예를들면 `torch.float16` 또는 `torch.bfloat16`).

### 플래시 어텐션과 스케일된 내적 어텐션(SDPA)으로 인해 예상되는 속도향상[[expected-speedups-with-flash-attention-and-sdpa]]

로컬 벤치마크(NVIDIA A10G, PyTorch 2.3.1+cu121)에서 `float16`을 사용하여 `"openai/clip-vit-large-patch14"` 체크포인트로 추론을 수행했을 때, 다음과 같은 속도 향상을 확인 했습니다.
[코드](https://gist.github.com/qubvel/ac691a54e54f9fae8144275f866a7ff8):

#### CLIPTextModel[[cliptextmodel]]

|   Num text labels |   Eager (s/iter) |   FA2 (s/iter) |   FA2 speedup |   SDPA (s/iter) |   SDPA speedup |
|------------------:|-----------------:|---------------:|--------------:|----------------:|---------------:|
|                 4 |            0.009 |          0.012 |         0.737 |           0.007 |          1.269 |
|                16 |            0.009 |          0.014 |         0.659 |           0.008 |          1.187 |
|                32 |            0.018 |          0.021 |         0.862 |           0.016 |          1.142 |
|                64 |            0.034 |          0.034 |         1.001 |           0.03  |          1.163 |
|               128 |            0.063 |          0.058 |         1.09  |           0.054 |          1.174 |

![clip_text_model_viz_3](https://github.com/user-attachments/assets/e9826b43-4e66-4f4c-952b-af4d90bd38eb)

#### CLIPVisionModel[[clipvisionmodel]]

|   Image batch size |   Eager (s/iter) |   FA2 (s/iter) |   FA2 speedup |   SDPA (s/iter) |   SDPA speedup |
|-------------------:|-----------------:|---------------:|--------------:|----------------:|---------------:|
|                  1 |            0.016 |          0.013 |         1.247 |           0.012 |          1.318 |
|                  4 |            0.025 |          0.021 |         1.198 |           0.021 |          1.202 |
|                 16 |            0.093 |          0.075 |         1.234 |           0.075 |          1.24  |
|                 32 |            0.181 |          0.147 |         1.237 |           0.146 |          1.241 |

![clip_image_model_viz_3](https://github.com/user-attachments/assets/50a36206-e3b9-4adc-ac8e-926b8b071d63)

#### CLIPModel[[clipmodel]]

|   Image batch size |   Num text labels |   Eager (s/iter) |   FA2 (s/iter) |   FA2 speedup |   SDPA (s/iter) |   SDPA speedup |
|-------------------:|------------------:|-----------------:|---------------:|--------------:|----------------:|---------------:|
|                  1 |                 4 |            0.025 |          0.026 |         0.954 |           0.02  |          1.217 |
|                  1 |                16 |            0.026 |          0.028 |         0.918 |           0.02  |          1.287 |
|                  1 |                64 |            0.042 |          0.046 |         0.906 |           0.036 |          1.167 |
|                  4 |                 4 |            0.028 |          0.033 |         0.849 |           0.024 |          1.189 |
|                  4 |                16 |            0.034 |          0.035 |         0.955 |           0.029 |          1.169 |
|                  4 |                64 |            0.059 |          0.055 |         1.072 |           0.05  |          1.179 |
|                 16 |                 4 |            0.096 |          0.088 |         1.091 |           0.078 |          1.234 |
|                 16 |                16 |            0.102 |          0.09  |         1.129 |           0.083 |          1.224 |
|                 16 |                64 |            0.127 |          0.11  |         1.157 |           0.105 |          1.218 |
|                 32 |                 4 |            0.185 |          0.159 |         1.157 |           0.149 |          1.238 |
|                 32 |                16 |            0.19  |          0.162 |         1.177 |           0.154 |          1.233 |
|                 32 |                64 |            0.216 |          0.181 |         1.19  |           0.176 |          1.228 |

## 자료[[resources]]

CLIP을 시작하는 데 도움이 되는 Hugging Face와 community 자료 목록(🌎로 표시됨) 입니다.

- [원격 센싱 (인공위성) 이미지와 캡션을 가지고 CLIP 미세조정하기](https://huggingface.co/blog/fine-tune-clip-rsicd): 
[RSICD dataset](https://github.com/201528014227051/RSICD_optimal)을 가지고 CLIP을 미세조정 하는 방법과 데이터 증강에 대한 성능 비교에 대한 블로그 포스트
- 이 [예시 스크립트](https://github.com/huggingface/transformers/tree/main/examples/pytorch/contrastive-image-text)는 [COCO dataset](https://cocodataset.org/#home)를 이용한 사전학습된 비전과 텍스트와 인코더를 사용해서 CLIP같은 비전-텍스트 듀얼 모델을 어떻게 학습시키는지 보여줍니다. 

<PipelineTag pipeline="image-to-text"/>

- 사전학습된 CLIP모델을 이미지 캡셔닝을 위한 빔서치 추론에 어떻게 활용하는지에 관한 [노트북](https://colab.research.google.com/drive/1tuoAC5F4sC7qid56Z0ap-stR3rwdk0ZV?usp=sharing)

**이미지 검색**

- 사전학습된 CLIP모델과 MRR(Mean Reciprocal Rank) 점수 연산을 사용한 이미지 검색에 대한 [노트북](https://colab.research.google.com/drive/1bLVwVKpAndpEDHqjzxVPr_9nGrSbuOQd?usp=sharing). 🌎
- 이미지 검색과 유사성 점수에 대해 보여주는 [노트북](https://colab.research.google.com/github/deep-diver/image_search_with_natural_language/blob/main/notebooks/Image_Search_CLIP.ipynb). 🌎
- Multilingual CLIP를 사용해서 이미지와 텍스트를 어떻게 같은 벡터 공간에 매핑 시키는지에 대한 [노트북](https://colab.research.google.com/drive/1xO-wC_m_GNzgjIBQ4a4znvQkvDoZJvH4?usp=sharing). 🌎 
- [Unsplash](https://unsplash.com)와 [TMDB](https://www.themoviedb.org/) 데이터셋을 활용한 의미론적(semantic) 이미지 검색에서 CLIP을 구동하는 방법에 대한 [노트북](https://colab.research.google.com/github/vivien000/clip-demo/blob/master/clip.ipynb#scrollTo=uzdFhRGqiWkR). 🌎

**설명 가능성**

- 입력 토큰과 이미지 조각(segment) 사이의 유사성을 시각화 시키는 방법에 대한 [노트북](https://colab.research.google.com/github/hila-chefer/Transformer-MM-Explainability/blob/main/CLIP_explainability.ipynb). 🌎

여기에 포함될 자료를 제출하고 싶으시다면 PR(Pull Request)를 열어주세요. 리뷰 해드리겠습니다! 자료는 기존 자료를 복제하는 대신 새로운 내용을 담고 있어야 합니다.

## CLIPConfig[[transformers.CLIPConfig]]

[[autodoc]] CLIPConfig
    - from_text_vision_configs

## CLIPTextConfig[[transformers.CLIPTextConfig]]

[[autodoc]] CLIPTextConfig

## CLIPVisionConfig[[transformers.CLIPVisionConfig]]

[[autodoc]] CLIPVisionConfig

## CLIPTokenizer[[transformers.CLIPTokenizer]]

[[autodoc]] CLIPTokenizer
    - build_inputs_with_special_tokens
    - get_special_tokens_mask
    - create_token_type_ids_from_sequences
    - save_vocabulary

## CLIPTokenizerFast[[transformers.CLIPTokenizerFast]]

[[autodoc]] CLIPTokenizerFast

## CLIPImageProcessor[[transformers.CLIPImageProcessor]]

[[autodoc]] CLIPImageProcessor
    - preprocess

## CLIPFeatureExtractor[[transformers.CLIPFeatureExtractor]]

[[autodoc]] CLIPFeatureExtractor

## CLIPProcessor[[transformers.CLIPProcessor]]

[[autodoc]] CLIPProcessor

<frameworkcontent>
<pt>

## CLIPModel[[transformers.CLIPModel]]

[[autodoc]] CLIPModel
    - forward
    - get_text_features
    - get_image_features

## CLIPTextModel[[transformers.CLIPTextModel]]

[[autodoc]] CLIPTextModel
    - forward

## CLIPTextModelWithProjection[[transformers.CLIPTextModelWithProjection]]

[[autodoc]] CLIPTextModelWithProjection
    - forward

## CLIPVisionModelWithProjection[[transformers.CLIPVisionModelWithProjection]]

[[autodoc]] CLIPVisionModelWithProjection
    - forward

## CLIPVisionModel[[transformers.CLIPVisionModel]]

[[autodoc]] CLIPVisionModel
    - forward

## CLIPForImageClassification[[transformers.CLIPForImageClassification]]

[[autodoc]] CLIPForImageClassification
    - forward

</pt>
<tf>

## TFCLIPModel[[transformers.TFCLIPModel]]

[[autodoc]] TFCLIPModel
    - call
    - get_text_features
    - get_image_features

## TFCLIPTextModel[[transformers.TFCLIPTextModel]]

[[autodoc]] TFCLIPTextModel
    - call

## TFCLIPVisionModel[[transformers.TFCLIPVisionModel]]

[[autodoc]] TFCLIPVisionModel
    - call

</tf>
<jax>

## FlaxCLIPModel[[transformers.FlaxCLIPModel]]

[[autodoc]] FlaxCLIPModel
    - __call__
    - get_text_features
    - get_image_features

## FlaxCLIPTextModel[[transformers.FlaxCLIPTextModel]]

[[autodoc]] FlaxCLIPTextModel
    - __call__

## FlaxCLIPTextModelWithProjection[[transformers.FlaxCLIPTextModelWithProjection]]

[[autodoc]] FlaxCLIPTextModelWithProjection
    - __call__

## FlaxCLIPVisionModel[[transformers.FlaxCLIPVisionModel]]

[[autodoc]] FlaxCLIPVisionModel
    - __call__

</jax>
</frameworkcontent>
