多模态机器学习（Multimodal Machine Learning）通过融合文本、图像、音频、视频等不同模态的数据，使模型具备更全面的感知和推理能力。其核心目标是解决模态异构性（不同数据类型的差异）和信息互补性（多模态联合建模提升性能）。
典型任务分类：
视觉-语言任务
图像描述生成（Image Captioning）：输入一张图片，生成自然语言描述。
视觉问答（VQA）：根据图片内容回答问题，例如：“图中天空是什么颜色？”
跨模态检索：以文搜图或以图搜文，如CLIP模型。
音频-语言任务
语音情感识别：通过语音的音调、语速等特征判断情绪（如愤怒、喜悦）。
语音翻译：将中文语音实时转换为英文文本。
多模态生成任务
文本到图像生成：如Stable Diffusion根据文本生成高质量图片。
视频合成：结合剧本生成带场景、动作和配音的视频片段。
代码示例：图像描述生成（基于Hugging Face）
from transformers import pipeline
# 加载预训练模型
image_to_text = pipeline("image-to-text", model="nlpconnect/vit-gpt2-image-captioning")
caption = image_to_text("cat.jpg")[0]['generated_text']
print(f"图片描述: {caption}") # 输出示例：A cat is sitting on a sofa.跨模态预训练通过自监督学习（Self-supervised Learning）从大规模数据中学习模态间的关联性，典型方法包括：
对比学习（Contrastive Learning）：如CLIP模型，将匹配的图文对拉近，不匹配的推远。
掩码建模（Masked Modeling）：如BERT的MLM任务，随机掩盖部分输入，让模型预测缺失内容。
模型架构：
双塔结构：文本和图像分别编码后计算相似度（如CLIP）。
单塔结构：多模态输入共享同一编码器（如UNITER）。
代码示例：图文检索（基于CLIP）
import torch
from PIL import Image
from transformers import CLIPProcessor, CLIPModel
# 加载模型
model = CLIPModel.from_pretrained("openai/clip-vit-base-patch32")
processor = CLIPProcessor.from_pretrained("openai/clip-vit-base-patch32")
# 输入处理
image = Image.open("beach.jpg")
texts = ["a photo of a beach", "a photo of a mountain"]
# 计算相似度
inputs = processor(text=texts, images=image, return_tensors="pt", padding=True)
outputs = model(**inputs)
probs = outputs.logits_per_image.softmax(dim=1)
print(f"匹配概率: {probs}") # 输出示例：tensor([[0.92, 0.08]])应用场景：自动驾驶、机器人控制。模型输入视觉和语言指令，输出动作序列。
核心技术：
思维链（Chain-of-Thought）：分步推理，例如“检测红灯→刹车→等待”。
时空建模：处理视频流中的连续动作。
代码示例：VLA动作生成（简化版）
import torch
import torch.nn as nn
class VLA(nn.Module):
def __init__(self, vision_dim=512, text_dim=512, action_dim=4):
super().__init__()
self.vision_proj = nn.Linear(vision_dim, 256)
self.text_proj = nn.Linear(text_dim, 256)
self.fusion = nn.Transformer(d_model=256, nhead=8)
self.action_head = nn.Linear(256, action_dim)
def forward(self, vision_feat, text_feat):
vision_emb = self.vision_proj(vision_feat)
text_emb = self.text_proj(text_feat)
fused = self.fusion(torch.cat([vision_emb, text_emb], dim=1))
action = self.action_head(fused.mean(dim=1))
return action
# 示例输入
vision_feat = torch.randn(1, 512) # 图像特征
text_feat = torch.randn(1, 512) # 文本特征
model = VLA()
action = model(vision_feat, text_feat)
print(f"动作向量: {action.shape}") # 输出：torch.Size([1, 4])应用场景：视频内容理解、语音增强。
关键技术：
时频分析：将音频信号转换为频谱图，使用CNN处理。
多模态对齐：如IMTFF-Networks通过时间同步对齐视觉和音频特征。
代码示例：音频分类（基于Librosa）
import librosa
import torch
from torch import nn
# 提取MFCC特征
audio, sr = librosa.load("speech.wav", sr=16000)
mfcc = librosa.feature.mfcc(y=audio, sr=sr, n_mfcc=40)
mfcc_tensor = torch.tensor(mfcc).unsqueeze(0) # 输入维度：(1, 40, 时间步)
# 简单分类模型
class AudioClassifier(nn.Module):
def __init__(self):
super().__init__()
self.conv = nn.Conv1d(40, 64, kernel_size=3)
self.fc = nn.Linear(64, 5) # 5类情感
def forward(self, x):
x = torch.relu(self.conv(x))
x = x.mean(dim=2) # 全局平均池化
return self.fc(x)
model = AudioClassifier()
output = model(mfcc_tensor)
print(f"分类结果: {torch.softmax(output, dim=1)}")任务定义：根据文本描述在图像中定位目标物体。例如：“左侧穿红色衣服的人”。
技术方法：
区域特征提取：使用Faster R-CNN提取候选框特征。
跨模态匹配：计算文本特征与候选框特征的相似度。
代码示例：视觉定位（基于Faster R-CNN）
import torchvision
from torchvision.models.detection import fasterrcnn_resnet50_fpn
# 加载预训练模型
model = fasterrcnn_resnet50_fpn(pretrained=True)
model.ｅｖａｌ()
# 输入处理
image = torch.rand(3, 800, 1200) # 模拟输入图像
predictions = model([image])
print(f"检测框: {predictions[0]['boxes']}") # 输出边界框坐标应用场景：在长视频中定位特定动作的时间段。
技术方案：
TSN（Temporal Segment Networks）：将视频分段处理，融合时序特征。
3D CNN：直接处理视频的时空维度。
技术流程：
特征提取：
文本：BERT提取情感关键词。
语音：MFCC、音高、语速。
视觉：OpenCV提取面部表情（如嘴角弧度、眉毛动作）。
融合与分类：拼接多模态特征后输入分类器。
代码示例：情感分类（融合文本与语音）
from transformers import BertModel, BertTokenizer
import torch
# 文本特征提取
tokenizer = BertTokenizer.from_pretrained("bert-base-uncased")
text_model = BertModel.from_pretrained("bert-base-uncased")
text_input = tokenizer("I feel happy today", return_tensors="pt")
text_feat = text_model(**text_input).last_hidden_state.mean(dim=1)
# 假设已有语音特征audio_feat
multimodal_feat = torch.cat([text_feat, audio_feat], dim=1)
classifier = nn.Linear(768 + 128, 3) # 3类情感
output = classifier(multimodal_feat)
print(f"情感概率: {torch.softmax(output, dim=1)}")注：本文代码均为简化示例，完整实现需结合具体数据和调参优化。更多AI大模型应用开发学习内容，尽在聚客AI学院。
