CLIP与DINOv2的图像相似度对比

在计算机视觉领域有两个主要的自监督模型:CLIP和DINOv2。CLIP彻底改变了图像理解并且成为图片和文字之间的桥梁，而DINOv2带来了一种新的自监督学习方法。

在本文中，我们将探讨CLIP和DINOv2的优势和它们直接微妙的差别。我们的目标是发现哪些模型在图像相似任务中真正表现出色。

CLIP

使用CLIP计算两幅图像之间的相似性是一个简单的过程，只需两步即可实现:提取两幅图像的特征，然后计算它们的余弦相似度。

我们先创建虚拟环境并安装包

 #Start by setting up a virtual environment
 virtualenv venv-similarity
 source venv-similarity/bin/activate
 #Install required packages
 pip install transformers Pillow torch

接下来进行图像相似度的计算:

 import torch
 from PIL import Image
 from transformers import AutoProcessor, CLIPModel
 import torch.nn as nn
 
 device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else "cpu")
 processor = AutoProcessor.from_pretrained("openai/clip-vit-base-patch32")
 model = CLIPModel.from_pretrained("openai/clip-vit-base-patch32").to(device)
 
 #Extract features from image1
 image1 = Image.open('img1.jpg')
 with torch.no_grad():
     inputs1 = processor(images=image1, return_tensors="pt").to(device)
     image_features1 = model.get_image_features(**inputs1)
 
 #Extract features from image2
 image2 = Image.open('img2.jpg')
 with torch.no_grad():
     inputs2 = processor(images=image2, return_tensors="pt").to(device)
     image_features2 = model.get_image_features(**inputs2)
 
 #Compute their cosine similarity and convert it into a score between 0 and 1
 cos = nn.CosineSimilarity(dim=0)
 sim = cos(image_features1[0],image_features2[0]).item()
 sim = (sim+1)/2
 print('Similarity:', sim)

上面两个相似的图像，获得的相似度得分达到了96.4%

DINOv2

使用DINOv2计算两幅图像之间的相似度的过程与CLIP的过程类似。使用DINOv2需要与前面提到的相同的软件包集，而不需要任何额外的安装:

 from transformers import AutoImageProcessor, AutoModel
 from PIL import Image
 import torch.nn as nn
 
 device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else "cpu")
 processor = AutoImageProcessor.from_pretrained('facebook/dinov2-base')
 model = AutoModel.from_pretrained('facebook/dinov2-base').to(device)
 
 
 image1 = Image.open('img1.jpg')
 with torch.no_grad():
     inputs1 = processor(images=image1, return_tensors="pt").to(device)
     outputs1 = model(**inputs1)
     image_features1 = outputs1.last_hidden_state
     image_features1 = image_features1.mean(dim=1)
 
 image2 = Image.open('img2.jpg')
 with torch.no_grad():
     inputs2 = processor(images=image2, return_tensors="pt").to(device)
     outputs2 = model(**inputs2)
     image_features2 = outputs2.last_hidden_state
     image_features2 = image_features2.mean(dim=1)
 
 cos = nn.CosineSimilarity(dim=0)
 sim = cos(image_features1[0],image_features2[0]).item()
 sim = (sim+1)/2
 print('Similarity:', sim)

上面CLIP示例中相同的图像对，DINOv2获得的相似性得分为93%。

两个模型都可以给出图像的相似性，下面我们来进行深入的研究。

使用COCO数据集进行测试

这里使用来自COCO数据集验证集的图像来比较CLIP和DINOv2产生的结果。

流程如下:

• 遍历数据集以提取所有图像的特征。
• 将嵌入存储在FAISS索引中。
• 提取输入图像的特征。
• 检索前三个相似的图像。

1、特征提取和创建索引

 import torch
 from PIL import Image
 from transformers import AutoProcessor, CLIPModel, AutoImageProcessor, AutoModel
 import faiss
 import os
 import numpy as np
 
 device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else "cpu")
 
 #Load CLIP model and processor
 processor_clip = AutoProcessor.from_pretrained("openai/clip-vit-base-patch32")
 model_clip = CLIPModel.from_pretrained("openai/clip-vit-base-patch32").to(device)
 
 #Load DINOv2 model and processor
 processor_dino = AutoImageProcessor.from_pretrained('facebook/dinov2-base')
 model_dino = AutoModel.from_pretrained('facebook/dinov2-base').to(device)
 
 #Retrieve all filenames
 images = []
 for root, dirs, files in os.walk('./val2017/'):
     for file in files:
         if file.endswith('jpg'):
             images.append(root  + '/'+ file)
 
 
 #Define a function that normalizes embeddings and add them to the index
 def add_vector_to_index(embedding, index):
     #convert embedding to numpy
     vector = embedding.detach().cpu().numpy()
     #Convert to float32 numpy
     vector = np.float32(vector)
     #Normalize vector: important to avoid wrong results when searching
     faiss.normalize_L2(vector)
     #Add to index
     index.add(vector)
 
 def extract_features_clip(image):
     with torch.no_grad():
         inputs = processor_clip(images=image, return_tensors="pt").to(device)
         image_features = model_clip.get_image_features(**inputs)
         return image_features
 
 def extract_features_dino(image):
     with torch.no_grad():
         inputs = processor_dino(images=image, return_tensors="pt").to(device)
         outputs = model_dino(**inputs)
         image_features = outputs.last_hidden_state
         return image_features.mean(dim=1)
 
 #Create 2 indexes.
 index_clip = faiss.IndexFlatL2(512)
 index_dino = faiss.IndexFlatL2(768)
 
 #Iterate over the dataset to extract features X2 and store features in indexes
 for image_path in images:
     img = Image.open(image_path).convert('RGB')
     clip_features = extract_features_clip(img)
     add_vector_to_index(clip_features,index_clip)
     dino_features = extract_features_dino(img)
     add_vector_to_index(dino_features,index_dino)
 
 #store the indexes locally
 faiss.write_index(index_clip,"clip.index")
 faiss.write_index(index_dino,"dino.index")

2、图像相似度搜索

 import faiss
 import numpy as np
 import torch
 from transformers import AutoImageProcessor, AutoModel, AutoProcessor, CLIPModel
 from PIL import Image
 import os
 
 #Input image
 source='laptop.jpg'
 image = Image.open(source)
 
 device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else "cpu")
 
 #Load model and processor DINOv2 and CLIP
 processor_clip = AutoProcessor.from_pretrained("openai/clip-vit-base-patch32")
 model_clip = CLIPModel.from_pretrained("openai/clip-vit-base-patch32").to(device)
 
 processor_dino = AutoImageProcessor.from_pretrained('facebook/dinov2-base')
 model_dino = AutoModel.from_pretrained('facebook/dinov2-base').to(device)
 
 #Extract features for CLIP
 with torch.no_grad():
     inputs_clip = processor_clip(images=image, return_tensors="pt").to(device)
     image_features_clip = model_clip.get_image_features(**inputs_clip)
 
 #Extract features for DINOv2
 with torch.no_grad():
     inputs_dino = processor_dino(images=image, return_tensors="pt").to(device)
     outputs_dino = model_dino(**inputs_dino)
     image_features_dino = outputs_dino.last_hidden_state
     image_features_dino = image_features_dino.mean(dim=1)
 
 def normalizeL2(embeddings):
     vector = embeddings.detach().cpu().numpy()
     vector = np.float32(vector)
     faiss.normalize_L2(vector)
     return vector
 
 image_features_dino = normalizeL2(image_features_dino)
 image_features_clip = normalizeL2(image_features_clip)
 
 #Search the top 5 images
 index_clip = faiss.read_index("clip.index")
 index_dino = faiss.read_index("dino.index")
 
 #Get distance and indexes of images associated
 d_dino,i_dino = index_dino.search(image_features_dino,5)
 d_clip,i_clip = index_clip.search(image_features_clip,5)

3、结果

使用四种不同的图像作为输入，搜索产生了以下结果:

如果肉眼判断，DINOv2表现出稍好的性能。

使用DISC21数据集进行测试

为了量化CLIP和DINOv2的差别，我们选择了专门为图像相似性搜索创建的DISC21数据集。由于它的实际大小为350GB，我们将使用150,000个图像子集。

在参数方面，我们将计算:

• 准确率:正确预测的图像与图像总数的比率。
• top -3准确率:在前三幅相似图像中找到正确图像的次数占图像总数的比例。
• 计算时间:处理整个数据集所需的时间。

结果如下：

特征提取:CLIP:每秒70.7个图像,DINOv2:每秒69.7个图像,2者的计算密集度都差不多。

准确率和前三名的准确率

两种模型都正确地预测了图像

所有模型都找不到正确的图像

只有CLIP预测正确的图像，DINOv2的top3

只有DINOv2预测正确的图像

结果分析

DINOv2明显的胜出，他在这个个非常具有挑战性的数据集上实现了64%的准确率。相比之下，CLIP只有28.45%。

在计算效率方面两种模型表现出非常相似的特征提取时间。

这里DINOv2大幅领先的一个原因是MetaAI使用DISC21数据集作为其模型的基准，这肯定会给DINOv2带来有利的优势。但是我们可以看到在COCO数据集上的测试中显示了有趣的细微差别:DINOv2在识别图像中的主要元素方面表现出更高的能力，而CLIP在专注于输入图像中的特定细节方面表现得很熟练(看看 bus那个图像，CLIP找出的全部是红色的车，这可能是因为它与文本对齐时包含了颜色)

还有一个问题就是CLIP和DINOv2之间嵌入维数的差异。CLIP的嵌入维数为512，而DINOv2的嵌入维数为768。所以可能也是差异的原因，但是如果使用更大的CLIP模型，执行的速度应该不会这么快了。

总结

DINOv2在图像相似任务中表现出卓越的准确性，展示了其实际应用的潜力。CLIP虽然值得称赞，但相比之下就显得不足了。CLIP在需要关注小细节的场景中特别有用。两种模型都表现出相似的计算效率，如果只针对于图像的单模态，DINOv2应该是一个不错的选择。

作者:JeremyK