https://github.com/IDEA-Research/Grounded-Segment-Anything

By [[Grounding-DINO]] + SAM
Achieving Open-Vocab. Det & Seg

本文提出的模型主要想解决3D密集标注和交互式规划。
结合

• egocentric（crucial for immediate updates during object interactions and for localizing the agent within the scene）
• comprehensive（provides temporal persistent and multi-view consistent details of the entire 3D scene）
  scene-level的信息。

需要align the dense 3D visual information with the textual embedding space of a pre-trained LLM。3D点集由于其连续坐标系以及需要适应场景状态变化的表示形式而构成了一个独特的问题

Related Works

3D-VQA
VLN(Visual-Language Navigation)

3D-Visual-Language Data Generation

和[[3D-LLM]]一样，都是多视角采集D-RGB信息然后整合为3D frame
标注信息来自于Mini-GPT-V2（capable of generating captions and object descriptions from images by using caption and grounded caption identifiers）。

3D-frame

Uses image frames and a 2D-VLM(Mini-GPT-V2) to generate frame descriptions

Scene Data

3D场景数据是通过基于其相机姿势汇总的3D帧来重建
使用Llama-2-Chat-70B [65]生成场景的语言注释

prompted with a mix of context data including generated frame captions, frame object descriptions, annotated object lists, and annotated bounding boxes. These prompts lead to diverse instruction-following data types like dense caption, object caption, task decomposition, functionality enhancement, question-answering, and human-robot dialogues

Scene-LLM

场景-LLM是一种3D视觉语言模型（VLM），具有简单而有效的体系结构，旨在理解以基于本体和场景级别的3D视觉信息，使其能够成功执行交互式计划任务。本节概述了3D视觉特征提取过程，我们的模型的体系结构，3D视觉信息与数据集的对齐以及使用Scene-LLM进行推理。

Employ visual language semantic features [51] to represent 3D visual semantics

• first extracting pixel-wise CLIP features from each image and then aggregating these into a 3D point set [[ConceptFusion]]

Tokenize 3D visual features for LLM input:

• hybrid point-voxel representation (need for dense 3D visual information, support for interactive updates, and manageable token lengths for the LLM)

网络大体上分为两层：

Projection layer

To bridge 3D visual tokens(F) with the LLM’s tokenized space
FC(1030, 768)->GELU->FC(768,768)

LLM

Llama-2-7b as the foundational LLM backbone

训练

Stage 1: Pretraining for Feature Alignment

在两个坐标系统（camera和世界坐标）下使用3D帧数据，以确保场景-LLM理解以自我为中心和以场景为中心的观点。
在此阶段，仅训练了projection layer，可以有效地对齐具有文本特征的3D视觉特征，同时保持LLM参数（φ）不变。

Stage 2: Finetuning

优化Scene-llm，以准确响应用户说明。我们使用标识符令牌“我看到”将3D帧语言和3D场景语言数据合并到前言。文本描述分为指令（$T_{INST}$）及其相应的响应（$T_{ANS}$）。利用转换后的3D视觉令牌（$T_{3D}$）和指令令牌（$T_{INST}$），我们的目标是微调LLM（φ）以自动生成$T_{ANS}$.
在这里，我们共同微调了投影层和LLM，由θ= {ψ，φ}表示

Intro

Recent works have explored aligning images and videos with LLM for a new generation of multi-modal LLMs that equip LLMs with the ability to understand and reason about 2D images.
但是仍缺少对于3D物理空间进行分析的模型, which involves richer concepts such as spatial relationships, affordances, physics and interaction so on.

由此提出了inject the 3D world into large language models, 介绍一个全新的3D-llm模型族，可以将3D表示（即带有功能的3D点云）作为输入，并执行一系列与3D相关的任务。
优势：

• 关于整个场景的长期记忆可以存储在整体3D表示中，而不是情节的部分视图观测值
• 3D属性（如提供和空间关系）可以从3D表示形式中进行推论，远远超出了基于语言或基于2D图像的LLM的范围

挑战

• 数据获取：3D数据的稀缺性阻碍了基于3D的基础模型的发展。 3D数据与语言描述配对甚至更难获得
  • 提出了一组独特的数据生成管道，这些管道可以生成大规模的3D数据与语言配对。
• Obtain meaningful 3D features that could align with language features for 3D-LLMs: 一种方法是使用类似的对比性范式从头开始训练3D编码，以在2D图像和语言之间对齐。但是，该范式消耗了巨大的数据，时间和GPU资源。
  • 使用了一个3D功能提取器，该提取器构造了渲染的多视图图像的2D预处理特征的3D功能。最近，还使用了2D预训练的CLIP特征来训练其VLMS，也有很多视觉语言模型（例如Blip-2，Flamingo）。由于我们提取的3D功能与2D预处理的功能相同，因此我们可以无缝使用2D VLM作为骨架，并输入3D功能，以进行3D-LLM的有效训练。

TODO

伪代码：

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# f_q, f_k: encoder networks for query and key 
# queue: dictionary as a queue of K keys (CxK) 
# m: momentum 
# t: temperature  

f_k.params = f_q.params # initialize 
for x in loader: # load a minibatch x with N samples 
	x_q = aug(x) # a randomly augmented version 
	x_k = aug(x) # another randomly augmented version  
	q = f_q.forward(x_q) # queries: NxC 
	k = f_k.forward(x_k) # keys: NxC 
	k = k.detach() # no gradient to keys  
	
	# positive logits: Nx1 
	l_pos = bmm(q.view(N,1,C), k.view(N,C,1))  # 相当于把batch中每个正样本对之间求了cosine临近
	
	# negative logits: NxK 
	l_neg = mm(q.view(N,C), queue.view(C,K))  
	
	# logits: Nx(1+K) 
	logits = cat([l_pos, l_neg], dim=1)  
	
	# contrastive loss, Eqn.(1) 
		labels = zeros(N) # positives are the 0-th，将识别的类别视为0,可以直接使用CrossEntropyLoss
	loss = CrossEntropyLoss(logits/t, labels)  
	
	# SGD update: query network 
	loss.backward() 
	update(f_q.params)  
	
	# momentum update: key network 
	f_k.params = m*f_k.params+(1-m)*f_q.params  
	
	# update dictionary 
	enqueue(queue, k) # enqueue the current minibatch 
	dequeue(queue) # dequeue the earliest minibatch

亮点

Dictionary as a queue

在使用key encoder(momentum encoder)创建负样本，并把encode过的负样本存在一个queue（FIFO）中方便后续对比时直接使用，每次训练都会使用一个新的mini batch，此时会将此mini batch中的样本encode之后加入queue并删除存在最久的那个mini batch的样本（因为考虑到最老的mini batch使用的encoder是最过时的，所以FIFO是非常合理的），这样可以有效控制负样本的数量，也就是公式中的K。

• 节省字典的计算开销
• 而且mini batch大小可以直接和负样本脱钩

Momentum update

因为负样本数量（字典/队列）很大，所以没办法给key encoder回传梯度，所以可以考虑把query encoder的参数直接复制给key encoder，但过快改变的key encoder会导致样本字典的特征不一致，所以使用动量更新的方式。

过往工作对比

b)
只有一个编码器进行学习。Memory bank存下了所有样本的key。每当梯度回传后，会把memory bank被本次训练中被采样过的key使用新的encoder进行更新。

• 缺乏特帧一致性
• 需要训练一阵个epoch才能更新一遍memory bank

MoCo和memory bank 更接近，但是使用了queue dictionary和momentum update

https://www.youtube.com/watch?v=j3VNqtJUoz0&t=16s

核心思想：

• 将图像分为patches, 线性映射, 再加上图片的position embeding来输入transformer encoder
• 额外使用一个cls token用于占位（ViT的输出就是这个cls input token对应的output token）

https://github.com/facebookresearch/dino/tree/main

https://juejin.cn/post/7224738994825789496
https://www.youtube.com/watch?v=h3ij3F3cPIk&t=1005s
DI+NO（蒸馏+No Label）
具体来说，DINO 是使用一种称为“无监督自蒸馏”的方法，该方法通过自监督学习来学习模型的知识表示。在这个方法中，模型使用自身的输出来生成“伪标签”，然后使用这些伪标签来重新训练模型，从而进一步提高模型的性能和泛化能力。

知识蒸馏

https://blog.csdn.net/xbinworld/article/details/83063726

重点idea就是提出用soft target来辅助hard target一起训练，而soft target来自于大模型的预测输出。这里有人会问，明明true label（hard target）是完全正确的，为什么还要soft target呢？
hard target 包含的信息量（信息熵）很低，soft target包含的信息量大，拥有不同类之间关系的信息（比如同时分类驴和马的时候，尽管某张图片是马，但是soft target就不会像hard target 那样只有马的index处的值为1，其余为0，而是在驴的部分也会有概率。）[5]
这样的好处是，这个图像可能更像驴，而不会去像汽车或者狗之类的，而这样的soft信息存在于概率中，以及label之间的高低相似性都存在于soft target中。但是如果soft targe是像这样的信息[0.98 0.01 0.01]，就意义不大了，所以需要在softmax中增加温度参数T（这个设置在最终训练完之后的推理中是不需要的）

ViT

DINO

关于DINO中发生的涌现
https://juejin.cn/post/7280436457142501388

DINO之前的工作

We have also seen emerged two properties that can be leveraged in future applications: the quality of the features in k-NN classification has a potential for image retrieval. The presence of information about the scene layout in the features can also benefit weakly supervised image segmentation.