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AI多模态教程：Qwen-VL多模态大模型实践指南

一、模型介绍

Qwen-VL，由阿里云研发的大规模视觉语言模型（Large Vision Language Model, LVLM），代表了人工智能领域的一个重大突破。该模型具有处理和关联图像、文本、检测框等多种类型数据的能力，其输出形式同样多样，包括文本和检测框。这种多功能性使得Qwen-VL在众多应用场景中展现出巨大的潜力。

Qwen-VL的核心能力在于其强大的视觉理解和语言生成能力。通过深度学习技术，该模型能够识别和理解图像中的内容，包括物体、场景和活动。同时，它还能生成描述性的文本，对图像中的信息进行解释和总结。这种跨模态的理解和生成能力，使得Qwen-VL在图像描述、视觉问答、图像编辑等任务中表现出色。

此外，Qwen-VL还具备检测框作为输入和输出的能力。这意味着它不仅能识别图像中的物体，还能精确定位它们的位置。在输出方面，Qwen-VL可以生成包含物体位置信息的检测框，这对于需要进行物体识别和定位的应用场景尤为重要。

Qwen-VL-Chat = 大语言模型(Qwen-7B) + 视觉图片特征编码器(Openclip ViT-bigG) + 位置感知视觉语言适配器(可训练Adapter)+ 1.5B的图文数据 + 多****轮训练 + 对齐机制(Chat)

Qwen-VL 系列模型的特点包括：

  1. 多语言对话模型：天然支持英文、中文等多语言对话，端到端支持图片里中英双语的长文本识别；
  2. 多图交错对话：支持多图输入和比较，指定图片问答，多图文学创作等；
  3. 开放域目标定位：通过中文开放域语言表达进行检测框标注；
  4. 细粒度识别和理解：448分辨率可以提升细粒度的文字识别、文档问答和检测框标注。

二、****硬件配置

微调训练，作为一种机器学习技术，通常用于调整和优化预训练模型，以适应特定任务或数据集。在微调训练过程中，显存占用和速度是两个关键的性能指标，它们直接影响到训练的效率和可行性。

显存占用主要受批量大小（Batch Size, BS）和序列长度（Sequence Length）的影响。批量大小决定了每次训练中处理的数据量，而序列长度则影响了模型处理每个数据点时的复杂度。当批量大小为1时，意味着每次训练只处理一个数据点，这在显存有限的情况下是一种常见的选择，因为它可以显著降低显存需求。

推理阶段的显存占用及速度如下：

在使用不同的显卡进行深度学习模型训练或推理时，选择合适的数值精度是一个重要的优化策略。不同的数值精度不仅影响模型的性能和准确性，还会直接影响显存的使用效率。

对于A100、H100、RTX3060、RTX3070等高性能显卡，建议启用bf16（Brain Floating Point）精度。bf16是一种16位浮点格式，它在保持较高精度的同时，相比传统的32位浮点数（fp32）可以显著节省显存。bf16精度特别适合用于深度学习模型，因为它在保持大部分精度的同时，减少了模型的大小，从而降低了显存占用。这对于训练大型模型或处理大量数据尤为重要。

而对于V100、P100、T4等较旧的显卡，由于它们可能不支持bf16精度，建议启用fp16（16位浮点）精度。fp16精度同样可以显著减少显存使用，虽然它的数值范围比bf16小，但在许多情况下仍然可以保持模型的性能。

当使用CPU进行推理时，由于CPU的内存管理方式与GPU不同，通常需要更多的内存来存储和处理数据。因此，建议至少有32GB的内存来确保推理过程的顺利进行。相比之下，使用GPU进行推理时，由于GPU的显存管理更为高效，通常需要约24GB的显存即可满足需求。

三、环境安装

Python虚拟环境：

https://repo.anaconda.com/archive/Anaconda3-2019.03-Linux-x86_64.sh   // 从官网下载安装脚本
$ bash Anaconda3-2019.03-Linux-x86_64.sh           // 阅读协议确认安装，安装完成后再输入yes以便不需
$ conda create -n qwen_vl python=3.10            // 安装虚拟环境, python 3.10及以上版本
$ conda activate qwen_vl                         // 激活虚拟环境
$ conda install pytorch==2.1.2 torchvision==0.16.2 torchaudio==2.1.2 pytorch-cuda=11.8 -c pytorch -c nvidia // pytorch 2.0及以上版本, 建议使用CUDA 11.4及以上

依赖包：

git clone https://github.com/QwenLM/Qwen-VL.git
cd Qwen-VL/
pip3 install -r requirements.txt
pip3 install -r requirements_openai_api.txt
pip3 install -r requirements_web_demo.txt
pip3 install deepspeed
pip3 install peft
pip3 install optimum
pip3 install auto-gptq
pip3 install modelscope -U

建议先从 ModelScope 下载模型及代码至本地，再从本地加载模型：

from modelscope import snapshot_download
from transformers import AutoModelForCausalLM, AutoTokenizer

# 其中版本v1.1.0支持INT4、INT8的在线量化，其余版本不支持
model_id = 'qwen/Qwen-VL-Chat'

revision = 'v1.0.0' 

# 下载模型到指定目录
local_dir = "/root/autodl-tmp/Qwen-VL-Chat"

snapshot_download(repo_id=model_id, revision=revision, local_dir=local_dir)

四、快速使用

Qwen-VL-chat ：

① 代码调用方式

from transformers import AutoModelForCausalLM, AutoTokenizer
from transformers.generation import GenerationConfig
import torch
torch.manual_seed(1234)

# 请注意：根据显存选择配置，分词器默认行为已更改为默认关闭特殊token攻击防护。
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained("Qwen/Qwen-VL-Chat", trust_remote_code=True)

model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained("Qwen/Qwen-VL-Chat", device_map="auto", trust_remote_code=True, bf16=True, fp16=Flase).eval()

# 第一轮对话
query = tokenizer.from_list_format([
    {'image': 'https://qianwen-res.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/Qwen-VL/assets/demo.jpeg'}, # Either a local path or an url
    {'text': '这是什么?'},
])
response, history = model.chat(tokenizer, query=query, history=None)
print(response)
# 图中是一名女子在沙滩上和狗玩耍，旁边是一只拉布拉多犬，它们处于沙滩上。

# 第二轮对话
response, history = model.chat(tokenizer, '框出图中击掌的位置', history=history)
print(response)
# <ref>击掌</ref><box>(536,509),(588,602)</box>

② WebUI调用方式

# 启动命令，局域网访问
python web_demo_mm.py --server-name 0.0.0.0

五****、自定义数据集微调

提供finetune.py脚本和shell脚本的目的是为了简化用户在自有数据上微调预训练模型的过程，同时支持DeepSpeed和FSDP（Fully Sharded Data Parallel）两种优化技术，以提高训练效率和可扩展性。

finetune.py脚本的功能和特点：

  1. 微调功能：finetune.py脚本允许用户在自己的数据集上对预训练模型进行微调。微调是一种常见的做法，通过在特定任务上调整预训练模型的参数，可以提高模型在该任务上的性能。
  2. 易于接入下游任务：脚本设计为模块化，使得用户可以轻松地将微调后的模型集成到各种下游任务中，如文本分类、情感分析、问答系统等。
  3. 支持DeepSpeed和FSDP：DeepSpeed和FSDP是两种先进的优化技术，用于加速大型模型的训练。DeepSpeed提供了一系列优化策略，如模型并行、管道并行和ZeRO优化器等。FSDP则是一种数据并行策略，通过完全分片来减少每个GPU上的显存占用。这些技术的支持使得finetune.py脚本能够处理更大的模型和数据集。

(1) 自定义数据集准备：

需要将所有样本数据放到一个列表中并存入JSON文件中。每个样本对应一个字典，包含id和conversation，其中后者为一个列表。示例如下所示：

[
  {
    "id": "identity_0",
    "conversations": [
      {
        "from": "user",
        "value": "你好"
      },
      {
        "from": "assistant",
        "value": "我是Qwen-VL,一个支持视觉输入的大模型。"
      }
    ]
  },
  {
    "id": "identity_1",
    "conversations": [
      {
        "from": "user",
        "value": "Picture 1: <img>https://qianwen-res.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/Qwen-VL/assets/demo.jpeg</img>\n图中的狗是什么品种？"
      },
      {
        "from": "assistant",
        "value": "图中是一只拉布拉多犬。"
      },
      {
        "from": "user",
        "value": "框出图中的格子衬衫"
      },
      {
        "from": "assistant",
        "value": "<ref>格子衬衫</ref><box>(588,499),(725,789)</box>"
      }
    ]
  },
  { 
    "id": "identity_2",
    "conversations": [
      {
        "from": "user",
        "value": "Picture 1: <img>assets/mm_tutorial/Chongqing.jpeg</img>\nPicture 2: <img>assets/mm_tutorial/Beijing.jpeg</img>\n图中都是哪"
      },
      {
        "from": "assistant",
        "value": "第一张图片是重庆的城市天际线，第二张图片是北京的天际线。"
      }
    ]
  }
]

格式解释：

  1. 为针对多样的VL任务，增加了一下的特殊tokens： <ref> </ref> <box> </box>.
  2. 对于带图像输入的内容可表示为 Picture id: img_path\n{your prompt}，其中id表示对话中的第几张图片。"img_path"可以是本地的图片或网络地址。
  3. 对话中的检测框可以表示为<box>(x1,y1),(x2,y2)</box>，其中 (x1, y1) 和(x2, y2)分别对应左上角和右下角的坐标，并且被归一化到[0, 1000)的范围内. 检测框对应的文本描述也可以通过<ref>text_caption</ref>表示。
  4. 准备好数据后，你可以使用我们提供的shell脚本实现微调。注意，你需要在脚本中指定你的数据的路径。

(2) 模型微调方式

Qwen-VL支持以下微调方式：全参数微调、LoRA、Q-LoRA

① 全参数微调

默认下全参数微调在训练过程中更新LLM所有参数。实验中，在微调阶段不更新ViT的参数会取得更好的表现。全参数微调，不支持单卡训练，且需确认机器是否支持bf16。运行下面脚本开始训练：

# 分布式训练。由于显存限制将导致单卡训练失败，我们不提供单卡训练脚本。
sh finetune/finetune_ds.sh

② LoRA微调

与全参数微调不同，LoRA (论文) 只更新adapter层的参数而无需更新原有语言模型的参数。这种方法允许用户用更低的显存开销来训练模型，也意味着更小的计算开销。

使用官方项目里提供的微调脚本进行LoRA微调测试，模型采用HuggingFace下载的那个全精度模型，数据采用上面的示例数据，建议模型路径使用绝对路径，如果你想节省显存占用，可以考虑使用chat模型进行LoRA微调，显存占用将大幅度降低。

# 单卡训练
sh finetune/finetune_lora_single_gpu.sh
# 分布式训练
sh finetune/finetune_lora_ds.sh

#!/bin/bash

export CUDA_DEVICE_MAX_CONNECTIONS=1
DIR=`pwd`

MODEL="/root/autodl-tmp/Qwen-VL-Chat"
DATA="/root/autodl-tmp/data.json"

export CUDA_VISIBLE_DEVICES=0

python3 finetune.py \
    --model_name_or_path $MODEL \
    --data_path $DATA \
    --bf16 True \
    --fix_vit True \
    --output_dir output_qwen \
    --num_train_epochs 5 \
    --per_device_train_batch_size 1 \
    --per_device_eval_batch_size 1 \
    --gradient_accumulation_steps 8 \
    --evaluation_strategy "no" \
    --save_strategy "steps" \
    --save_steps 1000 \
    --save_total_limit 10 \
    --learning_rate 1e-5 \
    --weight_decay 0.1 \
    --adam_beta2 0.95 \
    --warmup_ratio 0.01 \
    --lr_scheduler_type "cosine" \
    --logging_steps 1 \
    --report_to "none" \
    --model_max_length 600 \
    --lazy_preprocess True \
    --gradient_checkpointing \
    --use_lora

注意事项：

  1. 需要修改脚本中的MODEL、DATA参数，将其换成实际的模型和数据地址
  2. 需要修改脚本里的model_max_length参数，默认是2048，这需要27.3GB的显存

③ Q-LoRA微调

如果你依然遇到显存不足的问题，可以考虑使用Q-LoRA (论文)。该方法使用4比特量化模型以及paged attention等技术实现更小的显存开销，仅支持fp16。运行Q-LoRA你只需运行如下脚本：

# 单卡训练
sh finetune/finetune_qlora_single_gpu.sh
# 分布式训练
sh finetune/finetune_qlora_ds.sh

建议使用官方提供的Int4量化模型进行训练，即Qwen-VL-Chat-Int4。不要使用非量化模型！与全参数微调以及LoRA不同，Q-LoRA仅支持fp16。

**(3) **模型合并

与全参数微调不同，LoRA和Q-LoRA的训练只需存储adapter部分的参数。因此需要先合并并存储模型（LoRA支持合并，Q-LoRA不支持），再用常规方式读取你的新模型：

from peft import AutoPeftModelForCausalLM

model = AutoPeftModelForCausalLM.from_pretrained(
    path_to_adapter, # path to the output directory
    device_map="auto",
    trust_remote_code=True
).eval()

merged_model = model.merge_and_unload()
# max_shard_size and safe serialization are not necessary. 
# They respectively work for sharding checkpoint and save the model to safetensors
merged_model.save_pretrained(new_model_directory, max_shard_size="2048MB", safe_serialization=True)

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