多模态AI模型的构成要素包括:如何从文本和图像等不同数据类型中获取特征,能够处理这些特征的神经网络层种类,以及如何使用损失函数来衡量模型表现。但模型究竟如何变得更好?它是如何学习的?这就是训练发挥作用的地方。训练是通过向多模态AI模型展示大量样本,教导它做出准确预测或生成有用输出的过程。“训练”究竟意味着什么?从核心来看,训练AI模型,包括多模态模型,是一个优化问题。想象一台有许多刻度盘和旋钮的复杂机器。这些刻度盘和旋钮代表模型的内部参数(常被称为权重和偏差)。初次构建模型时,这些参数通常被设置为随机初始值。这表示模型最初不知道如何执行其任务,就像一个第一天上学、没有任何先验知识的学生。训练的目的是系统地调整这些参数,使模型在指定任务上表现更好。“更好”由我们之前讨论的损失函数定义。损失越低,表示模型的预测越接近实际的正确答案(真实值)。训练所需的重要组成部分要开始训练多模态AI系统,你需要一些重要组成部分:多模态数据集:这是你的样本集合。对于多模态AI,这意味着你需要将不同模态配对的数据。对于图像标注系统,你的数据集将包含许多图像,每张图像都配有一个或多个人工编写的描述性标注。对于视觉问答系统,你需要图像、关于这些图像的问题以及正确答案。 该数据集通常分为三个部分:训练集:最大的部分,用于实际教导模型。模型通过观察这些例子,学习调整其参数。验证集:用于检查模型在训练期间未见过的数据上的学习表现。这有助于调整模型并避免过拟合问题(稍后会详细说明)。测试集:在所有训练和调整完成后,用于对模型性能进行最终、无偏的评估。你的多模态模型架构:这是你设计的结构,包括:从每种模态提取特征的模块(例如,文本处理器、图像处理器)。整合或组合来自这些模态信息的方法。生成所需结果的输出层(例如,用于标注的词序列,用于情感的分类)。 此架构包含训练将调整的可学习参数。损失函数:如你所知,此函数衡量模型预测与数据集中实际真实值之间的差异。训练的目标是使此损失最小化。优化器:这是一个算法,决定了模型参数如何根据损失进行更新。将其视为推动学习过程的引擎。它使用来自损失的信息(特别是梯度)来决定参数变化的方向和大小。你可能听过的一些常见优化器包括SGD(随机梯度下降)和Adam。目前,只需知道优化器的作用是智能地调整模型参数以减少损失。训练循环:逐步进行训练通常在一个名为训练循环的迭代过程中进行。以下是每次迭代中发生的情况的典型流程:初始化:训练开始前,模型参数会被初始化,通常是小的随机数。获取批次数据:为了避免一次性将整个数据集提供给模型(这可能计算成本高昂),我们通常将其分成更小的块,称为批次,进行处理。因此,迭代的第一步是从训练集中获取下一批多模态数据(例如,几十对图像-标注)。前向传播:输入数据批次被送入模型。每种模态都进行其初始处理(例如,特征提取)。然后使用你选择的组合技术组合信息。模型对批次中的每个样本进行预测。例如,如果是图像标注模型,它会为每张图像生成一个标注。计算损失:使用损失函数将模型的预测与真实标签(例如,这些图像的人工标注)进行比较。这会得到一个数字(或一组数字),表示模型在此批次中“错误”的程度。反向传播:这是学习发生的地方。模型使用一种名为反向传播的技术,计算模型中每个参数对计算出的损失的贡献程度。它计算梯度,梯度本质上是指出如何更改每个参数以减少损失的方向。可以将其视为模型获得反馈:“你犯了这个错误,这些特定设置(参数)是主要原因。尝试这样调整它们。”更新参数:优化器接收这些梯度并更新模型的参数。它对参数进行微小调整,朝着应减少损失的方向。这些调整的大小通常由学习率控制,学习率就像优化器所采取的步长。重复:步骤2到6针对多个批次重复进行,直到模型处理完训练集中的所有数据。完整地通过整个训练数据集一次称为一个周期(epoch)。训练通常涉及运行多个周期,让模型多次查看数据并逐步优化其参数。下面是显示此迭代过程的图示:digraph G { rankdir=TB; graph [fontname="sans-serif"]; node [shape=box, style="filled", fillcolor="#a5d8ff", fontname="sans-serif", margin=0.1]; edge [fontname="sans-serif", fontsize=10]; start_node [label="开始训练", shape=ellipse, style="filled", fillcolor="#b2f2bb"]; load_data_node [label="1. 加载批次\n多模态数据"]; forward_pass_node [label="2. 前向传播:\n模型进行预测"]; calculate_loss_node [label="3. 计算损失:\n(预测值 vs. 真实值)"]; backward_pass_node [label="4. 反向传播:\n计算梯度"]; update_params_node [label="5. 更新模型参数\n(优化器步骤)"]; epoch_check_node [label="本周期所有批次\n处理完毕?", shape=diamond, style="filled", fillcolor="#ffec99"]; stop_condition_node [label="达到训练停止条件?\n(例如,最大周期数,验证表现)", shape=diamond, style="filled", fillcolor="#ffec99", width=3, height=1.2]; end_train_node [label="结束训练", shape=ellipse, style="filled", fillcolor="#ffc9c9"]; start_node -> load_data_node; load_data_node -> forward_pass_node; forward_pass_node -> calculate_loss_node; calculate_loss_node -> backward_pass_node; backward_pass_node -> update_params_node; update_params_node -> epoch_check_node; epoch_check_node -> load_data_node [label="否 (下一批次)"]; epoch_check_node -> stop_condition_node [label="是"]; stop_condition_node -> load_data_node [label="否 (下一周期)"]; stop_condition_node -> end_train_node [label="是"]; }训练循环涉及迭代处理数据批次、进行预测、计算损失并更新模型参数,以使损失最小化。监控学习:进展情况观察仅仅让训练循环运行是不够的。你需要监控学习的进展情况。这通常通过追踪损失来完成:训练损失:在训练数据上计算的损失。你期望随着模型的学习,这个值会随时间下降。验证损失:定期地,在一个或多个周期后,你在验证集(模型未训练过的数据)上评估模型。这让你了解模型在新、未见过样本上的泛化能力。理想情况下,训练损失和验证损失都应下降。然而,有时训练损失持续下降,但验证损失开始上升。这是过拟合的迹象。过拟合意味着模型对训练数据学习得太好,包括其噪声和特定特性,结果导致它在新数据上表现不佳。这就像一个学生只记住了某次考试的答案,但没有真正理解未来考试所需的基本内容。避免过拟合的一个简单方法是早期停止:你监控验证损失,如果它在一定数量的周期内没有改善,就停止训练,并可能恢复到产生最佳验证表现的模型参数。训练多模态系统的具体考量训练多模态系统还有一些额外要考虑的方面:数据对齐很重要:对于许多任务,数据中不同模态必须很好地对齐。例如,在视频中,音轨必须与视觉帧同步。如果你正在标注视频中显示狗吠叫的片段,那么吠叫的音频和狗的视觉画面在时间上应该对应。未对齐的数据会使模型感到困惑并阻碍学习。模态平衡:有时,一种模态可能包含更强的信号或模型更容易从中学习。这可能导致模型过度依赖一种模态而忽视其他模态。模型架构、特征提取和组合方法的设计在确保良好平衡方面发挥作用。有时,(在更高级的设置中)会使用不同的学习率或针对不同模态损失的加权方案,但对于入门系统,细致的数据准备和可靠的组合策略是好的起点。计算资源:处理多模态数据,特别是像视频这样数据量大的模态,可能比单模态系统需要更多的计算能力和内存。总而言之,训练多模态AI系统是一个迭代过程,包括输入数据,让它进行预测,告知其错误程度,然后让它自行调整以便下次做得更好。它是构建任何有效AI模型的根本组成部分,使其能够从一组未初始化的参数转变为一个能执行复杂多模态任务的系统。