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基于多模态注意力机制的图像理解描述新方法

李学明 岳贡 陈光伟

李学明, 岳贡, 陈光伟. 基于多模态注意力机制的图像理解描述新方法[J]. 电子科技大学学报, 2020, 49(6): 867-874. doi: 10.12178/1001-0548.2019228
引用本文: 李学明, 岳贡, 陈光伟. 基于多模态注意力机制的图像理解描述新方法[J]. 电子科技大学学报, 2020, 49(6): 867-874. doi: 10.12178/1001-0548.2019228
LI Xue-ming, YUE Gong, CHEN Guang-wei. A Novel End-to-End Image Caption Based on Multimodal Attention[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2020, 49(6): 867-874. doi: 10.12178/1001-0548.2019228
Citation: LI Xue-ming, YUE Gong, CHEN Guang-wei. A Novel End-to-End Image Caption Based on Multimodal Attention[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2020, 49(6): 867-874. doi: 10.12178/1001-0548.2019228

基于多模态注意力机制的图像理解描述新方法

doi: 10.12178/1001-0548.2019228
基金项目: 国家重点研发项目(2017YFB1402405-5);重庆市技术创新与应用发展专项重点项目(CSTC2019JSCX-MBDXX2012);中央高校基本科研项目(2020CDCGJSJ042)
详细信息
    作者简介:

    李学明(1967-),男,博士,教授,主要从事计算机视觉和数据挖掘方面的研究. E-mail:lixuemin@cqu.edu.cn

  • 中图分类号: TP312

A Novel End-to-End Image Caption Based on Multimodal Attention

  • 摘要: 针对现有的图像理解描述方法存在描述句子不丰富、不准确、模型结构复杂、难以训练等问题,该文提出了一种端到端的基于多模态注意力机制(M-AT)的图像理解描述新方法。该方法首先通过关键词图像特征提取模型(K-IFE)提取更优的空间特征和关键词特征,并利用关键词注意力机制模型(K-AT)关注重要描述词语、空间注意机制模型(S-AT)关注图像更重要的区域并简化模型结构,且K-AT和S-AT两种注意力机制可以相互矫正,最终生成更加准确、丰富的图像描述语句。在MSCOCO数据集的实验结果表明该方法是有效的,部分评价指标有2%左右的提升。
  • 图  1  M-AT模型结构

    图  2  构造关键词类别数据集

    图  3  K-IFE模型的关键词预测

    图  4  K-AT模型结果展示与对比

    图  5  空间注意力机制的热力图

    图  6  M-AT模型结果对比

    图  7  K-AT和S-AT相互矫正

    表  1  不同模型之间的结果对比

    模型评估指标
    CIDErMETEORROUGE-LBLEU-1BLEU-2BLEU-3BLEU-4
    Human0.850.250.480.660.470.320.22
    m-RNN[6]0.790.230.500.680.510.370.27
    Google NIC[9]0.860.240.510.690.510.380.28
    Hard-AT[19]0.870.240.520.710.530.380.28
    VAE[31]0.900.240.720.520.370.24
    Attribute AT[32]0.240.710.530.400.30
    本文K-NIC0.870.240.510.700.510.390.29
    本文K-AT0.870.240.520.700.530.390.29
    本文S-AT0.890.250.520.710.530.390.29
    本文M-AT0.910.250.520.710.530.400.30
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-10
  • 修回日期:  2020-03-26
  • 网络出版日期:  2020-11-25
  • 刊出日期:  2020-11-23

基于多模态注意力机制的图像理解描述新方法

doi: 10.12178/1001-0548.2019228
    基金项目:  国家重点研发项目(2017YFB1402405-5);重庆市技术创新与应用发展专项重点项目(CSTC2019JSCX-MBDXX2012);中央高校基本科研项目(2020CDCGJSJ042)
    作者简介:

    李学明(1967-),男,博士,教授,主要从事计算机视觉和数据挖掘方面的研究. E-mail:lixuemin@cqu.edu.cn

  • 中图分类号: TP312

摘要: 针对现有的图像理解描述方法存在描述句子不丰富、不准确、模型结构复杂、难以训练等问题,该文提出了一种端到端的基于多模态注意力机制(M-AT)的图像理解描述新方法。该方法首先通过关键词图像特征提取模型(K-IFE)提取更优的空间特征和关键词特征,并利用关键词注意力机制模型(K-AT)关注重要描述词语、空间注意机制模型(S-AT)关注图像更重要的区域并简化模型结构,且K-AT和S-AT两种注意力机制可以相互矫正,最终生成更加准确、丰富的图像描述语句。在MSCOCO数据集的实验结果表明该方法是有效的,部分评价指标有2%左右的提升。

English Abstract

李学明, 岳贡, 陈光伟. 基于多模态注意力机制的图像理解描述新方法[J]. 电子科技大学学报, 2020, 49(6): 867-874. doi: 10.12178/1001-0548.2019228
引用本文: 李学明, 岳贡, 陈光伟. 基于多模态注意力机制的图像理解描述新方法[J]. 电子科技大学学报, 2020, 49(6): 867-874. doi: 10.12178/1001-0548.2019228
LI Xue-ming, YUE Gong, CHEN Guang-wei. A Novel End-to-End Image Caption Based on Multimodal Attention[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2020, 49(6): 867-874. doi: 10.12178/1001-0548.2019228
Citation: LI Xue-ming, YUE Gong, CHEN Guang-wei. A Novel End-to-End Image Caption Based on Multimodal Attention[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2020, 49(6): 867-874. doi: 10.12178/1001-0548.2019228
  • 早期的图像理解是基于模板的方式进行图像描述,通过识别图像中的对象、对象属性、对象关系来匹配语言模板以此生成描述语句。文献[1]选择构造语法树的方式生成描述语句;文献[2]使用三元组的方式生成描述语句;文献[3]通过选定短语,再将短语组合成描述语句实现图像的理解。

    通过改进基于模板的图像理解方法,产生了基于图像和图像描述语句相似度检索的图像理解方法,即将图像及对应描述语句映射到同一特征空间,通过计算图像和语句特征之间的相似度来生成描述语句。文献[4]将图像及其对应语句映射到两个不同的特征空间,然后利用核典型相关分析(kernel kanonical correlation analyses, KCCA)将特征映射到同一个特征空间,最后通过计算特征相似度来选择描述语句。文献[5]使用随机树形结构抽取描述语句中的词组,树枝为词组,通过检索与测试图片相似的图片及其对应的树枝,选择组合的方式生成描述语句。

    随着深度学习(deep learning, DL)的快速发展,文献[6]首先使用深度学习方法解决图像理解问题,提出利用多模态递归神经网络进行图像描述语句生成。图像理解本质上是从视觉信息到语义信息的转换。受机器翻译中基于神经网络的编码器/解码器方法[7]的启发,文献[6, 8-11]将图像理解视为对视觉信息进行编码和对语义信息进行解码,这样的编码器−解码器框架已经成为图像理解的主流框架。通常,人们使用卷积神经网络(convolutional neural networks, CNN)[12-14]提取图像的特征向量,并将图像特征向量输入到长短时记忆网络(long short term memory, LSTM)[15]中以生成图像描述语句。为了获得更好的结果,通常使用注意力机制[10, 16]

    当前的图像理解模型存在问题:1) 传统的卷积神经网络(CNN)[12]的图像特征提取能力不能满足图像理解的需要,在图像特征提取时未能考虑图像特征与描述语句的关联性。2) 视觉特征的错误会直接导致生成的描述语句错误。3) 当前图像理解方法使用的注意力机制模型复杂且不方便训练。

    为解决这些问题,本文提出了一种端到端的基于多模态的注意力机制(M-AT)的图像理解方法。多模态的注意力机制包括基于关键词的图像特征提取(K-IFE)模型、关键词注意力机制(K-AT)和空间注意力机制(S-AT)。该方法可以生成准确而丰富的图像描述语句,本文使用MSCOCO[17]数据集对提出的模型进行评估。

    本文的主要贡献:1) 通过将关键词与视觉特征进行关联,提出了基于关键词的图像特征提取(K-IFE)方法,让模型能更好地提取与图像理解相关的图像特征。2) 基于关键词注意力机制(K-AT)让模型能关注到重要的关键词,从而生成更丰富而准确的描述语句。3) 基于空间特征注意机制(S-AT)使用抽象程度较高的图像空间特征来引导模型关注图像的重要区域,生成更为准确的描述语句,同时使用抽象程度较高的图像空间特征简化了模型。4) 最后,结合K-IFE、S-AT和K-AT提出了基于多模态注意力机制的图像理解(M-AT)新方法,当两种注意力机制其中一个出现错误时,另一个可以对其进行矫正,从而提高了描述语句的准确性。

    • 循环神经网络(recurrent neural networks, RNN)[18]与传统的神经网络相比通过添加隐藏状态保留过去的信息来减轻依赖关系问题,但是初始信息会随着连接长度的增加渐变消失。长短期记忆网络LSTM [15]能有效地解决梯度失调问题,在视觉−语言任务[9, 19-21]中有广泛的运用。

    • 编码器−解码器结构在序列−序列任务中表现良好。受该结构启发,文献[9]使用了编码器−解码器结构解决图片理解问题,对视觉信息进行编码,对语义信息解码。编码器−解码器模型已在图像理解任务[8, 16, 22]中广泛被使用,本文采用CNN[23]作为编码器,LSTM [15]作为解码器。

    • LSTM[15]的存储容量是有限的,生成语句时靠后的词更依赖于选择的语言模型。为了解决这个问题,文献[19]将注意力机制引入了图像理解任务。在生成每个时间步的单词时,首先对每个区域的视觉特征都加一个权重,通过该权重计算出新的视觉特征来引导每个时间步单词的生成,这种基于注意力机制的方式能够有效引导描述语句单词的生成。

    • 本文提出了一种基于多模态注意力机制(M-AT)的新图像理解方法,通过构建关键词数据集,使用关键词数据集训练图像特征提取模型(K-IFE),并通过K-IFE提取图像空间特征、图像全局特征和预测的关键词特征,然后结合关键词注意机制(K-AT)和空间注意机制(S-AT)形成M-AT。模型结构如图1所示。

      图  1  M-AT模型结构

      M-AT基本框架是编码器−解码器结构,图1表格中颜色越深表示对单词的关注度越高,热力图中区域颜色越亮表示对区域的关注度越高。K-IFE提取输入图像的关键词特征(keyword feature)、全局特征(global feature)和空间特征(spatial feature),将提取到的特征分别输入到关键词注意力机制(K-AT)和空间注意力机制(S-AT)模块中,两种注意力机制可以进行相互矫正和增强,以获得更精确和丰富的描述语句。

    • 目前开源的图像理解数据集中只提供了图片及其对应描述语句,所以需要自己构建关键词类别数据集和关键词数据集。关键词作为类别标签训练模型具有高频性,关键词代表图片对象的个体、行为、关系具备代表性,同时存在同义单词,将语句中的同义词进行合并,所以关键词具有集成性。综上,关键词具有高频性、代表性、集成性等特点。关键词类别数据集构成过程如图2所示。

      图  2  构造关键词类别数据集

      图2中,IC分别表示输入的任意一张图片及对应的描述语句。

      首先从数据集$\{ {{I}},{{C}}\} $构建词频表$W = \{ \{ {W_1},{C_1}\} , \{ {W_2},{C_2}\} , \cdots ,\{ {W_m},{C_m}\} \}$,其中${C_i}$表示单词${W_i}$在所有描述语句${{C}}$中出现的次数,$M$表示单词总数,选择${C_i}$大于${\rm{|}}{{C}}|/1\;000$的单词构成过滤词表${K_0}$保证词表的高频性,选择过滤掉词表${{{K}}_0}$中的停用单词,保留名词、动词以及形容词得到关键词词表${{{K}}_{\rm{1}}}$。将关键词词表${{{K}}_{\rm{1}}}$中同义单词进行合并为词表${{{K}}_2} = \{ \{ {k_{10}},{k_{11}}, \cdots \} , \{ {k_{20}},{k_{21}}, \cdots \} , \cdots ,\{ {k_{N0}},{k_{N1}}, \cdots \} \}$,其中,$N$为关键词总量,${k_{i0}}$为第$i$个关键词类别,如cat、cats合并为cat类别。最后取每个类别集合的第一个单词作为关键词类别得到关键词类别${{K}} = \{ {k_i},{k_{i + 1}}, \cdots ,{k_N}\} $

      对于任意图片$I$,通过其对应的描述语句${{C}} = \{ {C_i},{C_{i + 1}}, \cdots ,{C_N}\} $分词整理得到相应单词集合${{{C}}_W} = \{ {w_i},{w_{i{\rm{ + 1}}}}, \cdots ,{w_N}\} $,从${{{C}}_W}$中选取所有属于${{{K}}_2}$的单词得到图片$I$的关键词集合${{{K}}_W}$。将关键词集合${{{K}}_W}$按照词表${{{K}}_2}$进行合并去重可以得到图片$I$对应的关键词类别${{K}}$。对数据集$\{ {{I}},{{C}}\} $中所有的图片都进行上述操作,从而将数据集扩展为包括关键词数据的数据集$\{ {{I}},{{C}},{{K}}\} $

    • 为了充分利用视觉特征和语义特征,本文提出了基于关键词的图像特征抽取方法(K-IFE),通过关键词提取与图像描述相关的视觉特征。关键词表示描述语句中具有代表性的单词,引入关键词不仅可以得到更好的图像特征,还可以引导描述语句的生成,使生成的描述语句更加准确丰富。式(1)为基于关键词的图像理解的目标函数,式(2)表示最终的目标函数,有:

      $$ {{{\theta}} ^*} = {\rm arg}\mathop {\max}\limits_\theta \sum\limits_{I,C} {\log p(C,K|I;{{\theta}} )} $$ (1)
      $$ \begin{split} {{\theta}} _1^*,{{\theta}} _2^* =\,& {\rm arg}\mathop {\max}\limits_{{\theta _1},{\theta _2}} \sum\limits_{I, C} {\log p(C|I,K;{{{\theta}} _1}) + } \\ & \sum\limits_{I,K} {\log p(K|I;{{{\theta}} _2})} \end{split} $$ (2)

      式中,${{\theta }}$是模型的参数;$I$为给定图片;$C$为生成的对应描述语句;$K$为描述语句中的关键词;$p(C,K|I;{{\theta}} )$表示给定图片$I$以及模型参数${{\theta }}$得到描述语句$C$和关键词集合$K$的概率$p(C|I,K{\rm{;}}{{{\theta }}_1})$为基于图片特征和关键词的语言模型;$p(K|I{\rm{;}}{{{\theta }}_2})$为基于图片特征的关键词模型;${{{\theta }}_1}$${{{\theta }}_2}$分别表示语言模型和关键词模型参数。

      根据条件概率公式,可以将式(1)表示为$p{\rm{(}}C,K|I{\rm{)}} = p{\rm{(}}C|I,K{\rm{)}} * p{\rm{(}}K|I{\rm{)}}$,从而得到式(2)。

      本文使用ResNet[24]作为图像特征提取的基本模型,该模型最初被设计应用于单标签分类,即一幅图片只对应单个类别,模型输出层应用的激活函数为softmax函数:

      $$ {\rm{softmax(}}{{z}}{{\rm{)}}_i} = \frac{{{{\rm{e}}^{{z_i}}}}}{{\displaystyle\sum\limits_{i = 0}^m {{{\rm e}^{{z_i}}}} }} $$ (3)

      式中,${{z}}$为输入向量;${z_i}$${{z}}$的一个分量,$i \in [i,m]$$m$表示关键词类别总数。

      本文任务是多标签分类任务,softmax激活函数在多标签分类任务中存在不同类别之间的竞争,因此本文使用sigmoid激活函数来避免这种类间竞争。

      本文使用关键词多标签分类,由于多标签分类中存在类别不平衡,所以本文选择了Tencent ML-Images[25]中的损失函数式(4),式(5)表示最终损失函数,在该损失函数后加了${{{L}}_2}$正则。对于mini batch的数据,$n$为mini batch的数量,$\lambda $($\lambda < 1$)为${{{L}}_2}$正则的权重,$m$为关键词类别总数,$\eta $为惩罚系数,有:

      $$ \begin{array}{c} {{L}}({{{x}}_i},{{{y}}_i}) = \dfrac{1}{m} \times \\ \displaystyle\sum\limits_j^m {r_t^j[ - \eta {y_{ij}}\log({p_{ij}}) - (1 - {y_{ij}})\log p(1 - {p_{ij}})]} \end{array} $$ (4)
      $$ \begin{split} {{L}} =\,& \frac{1}{n}\sum\limits_i^n {\frac{1}{{{m}}}} \sum\limits_j^m {r_t^j[ - \eta {y_{ij}}\log({p_{ij}}) - }\\ &(1 - {y_{ij}})\log p(1 - {p_{ij}})] + \lambda {{{L}}_2}({{\theta}} ) \end{split} $$ (5)

      式中,${{{x}}_i}$为单张图片;${{{y}}_i} = [{y_{i1}},{y_{i{\rm{2}}}}, \cdots ,{y_{ij}}, \cdots ,{y_{im}}]$表示图片对应的关键词标签,$j$为关键词类别,${y_{ij}}$的取值为0或1;$r_t^j$为训练过程中的一个自适应权重,$r_t^j = {0.9^{t - 1}}$$t$取决于本轮和上一轮mini batch的训练状态,如果两次状态一致则$t = t + 1$,如果不一致则$t = 1$${{\theta}} $为模型参数。

    • 目前图像理解方法存在仅使用视觉特征,但不是所有的视觉特征都能有效提取到,同时可能提取到不准确的视觉特征,所以仅使用视觉特征存在生成的描述语句不准确和不丰富的问题,因此本文提出了基于关键词的图像理解方法(K-AT),提取的关键词语义信息能引导生成更丰富和准确的图像描述语句。使用K-IFE提取图像的全局特征和关键词特征作为关键词关注机制的输入。

      不同的关键词权重表示模型对词语关注程度不同,词语的权重越大表示更加重要,其对生成的描述语句影响也越大,式(6)~式(8)为关键词特征注意力机制公式表达:

      $$a_{i,t}^ * = {{{W}}_{\rm{a}}}{\rm{ReLU}}({{{W}}_{{\rm{ka}}}}{{{k}}_i} + {{{W}}_{{\rm{ha}}}}{{{h}}_t})$$ (6)
      $${{{a}}_t} = {\rm{softmax}}({{a}}_t^ * )$$ (7)
      $${\hat {{k}}_t} = \sum\limits_{i = 1}^n {{a_{i,t}}{{{k}}_i}} $$ (8)

      式中,ReLU是修正线性单元激活函数;${{{k}}_i}$是关键词对应词向量特征矩阵的第i个分量;${{{W}}_{\rm{a}}}$为待学习的权重、${{{W}}_{{\rm{ka}}}}$${{{W}}_{{\rm{ha}}}}$为待学习的权重矩阵;${{{h}}_t}$$t$时刻的隐藏状态;$a_{i,t}^ * $为计算得到的${{{k}}_i}$的权重;${{a}}_t^ * = \{ a_{0,t}^ * ,a_{1,t}^ * , \cdots ,a_{n,t}^ * \} $为未归一化的权重,$n$为关键词特征${{k}}$的分量个数;${{{a}}_t} = \{ {a_{0,t}},{a_{1,t}}, \cdots ,{a_{n,t}}\} $为归一化后的权重;${\hat {{k}}_t}$为在$t$时刻应用了注意力机制的关键词特征值。

    • 针对现有的空间注意力机制模型复杂、训练需要耗费大量资源的问题,将注意力机制应用到抽象程度高的图像特征,提出结构更加简单、更易理解的基于空间特征注意力机制的图像理解方法(S-AT)。通过将注意力机制应用到抽象程度较高的图像空间特征来引导模型关注图像的重要区域,生成更为准确的描述语句。S-AT模型的网络结构与K-AT的网络结构相同,两者参数更新方式也相同。两者不同之处在于K-AT的中的关键词特征替换为空间特征,所以在此不对空间注意力机制做过多的叙述。

    • 通过实验发现S-AT和K-AT具有相互补充的作用,本文结合K-IFE、S-AT和K-AT提出了基于多模态注意力机制的图像理解方法(M-AT)。通过K-IFE从输入图像中获得图像空间特征${{s}}$,图像全局特征${{v}}$,以及预测的关键词词向量特征${{k}}$,将其中${{v}}$${{s}}$作为S-AT的输入,S-AT能够获得更优的视觉特征。${{k}}$${{s}}$作为K-AT的输入,K-AT能够通过语义特征引导描述语句的生成,M-AT的单词预测表达式为:

      $${{{y}}_t} = {\rm{softmax}}({{{w}}_{\rm{o}}}({{{w}}_{\hat s}}{\hat {{s}}_t} + {{{w}}_{\hat k}}{\hat {{k}}_t} + {{{w}}_{\rm{h}}}{{{h}}_t} + {{{b}}_{\rm{o}}}))$$ (9)

      式中,${{{y}}_t}$表示图像描述语句词语预测结果;${{{w}}_{\rm{o}}}$${{{b}}_{\rm{o}}}$为待学习的权重和偏置项;${\hat {{k}}_t}$${\hat {{s}}_t}$分别表示$t$时刻应用了注意力机制的关键词特征和空间注意力机制的空间特征;${{{w}}_{\hat k}}$${{{w}}_{\hat s}}$${{{w}}_{\rm{h}}}$为待学习的权重矩阵;${{{h}}_t}$t时刻的隐藏状态。

    • 本文在MSCOCO[17]数据集上进行实验,该数据集是目前规模最大的图像描述数据集,提供的训练集和验证集分别包含82 783幅图片和40 504幅图片,每幅图片至少5条标注语句,训练集和验证集总的标注语句分别为414 113和202 654条。测试集包含40 775幅图片,MSCOCO服务器上保存了测试集的两种标注:每幅图片5条标注语句和40条标注语句,用户可以将测试结果提交到MSCOCO服务器进行评估,本文的实验结果是服务器的评估结果。

    • 为了能更好地训练模型,本文将90%的验证集划分到训练集,得到划分后的训练集图片数和描述语句数分别是119 236幅和596 500条。按照2.1节中关键词类别提取流程从训练集${{{c}}_{\rm{train}}}$中提取出1 705个关键词,600个关键词类别,用${{K}} = \{ {k_1},{k_2}, \cdots ,{k_{600}}\} $表示。得到关键词类别后,通过2.1节中所述方法获取每幅图片的关键词类别,得到关键词数据集$\{ {{{I}}_{\rm{train}}},{{{K}}_{\rm{train}}}\} $$\{ {{I}},{{K}}\} $表示图片集${{I}}$对应的关键词类别集${{K}}$,关键词数据集为119 236张图片及其对应的关键词类别。

    • 在实验中,评估指标包括:BLEU[26]、METEOR[27]、ROUGE-L[28]、CIDEr[29]。BLEU[26]是基于精确度的相似性度量方法,用于分析候生成句和参考语句中n元组共同出现的程度。METEOR[27]基于对生成语句的准确率和召回率的调和平均对其进行评估。ROUGE-L[28]是基于生成语句召回率的相似性度量方法,用于评估生成语句的充分性和可靠性。CIDEr[29]通过度量生成语句与参考语句的相似度来评估生成语句。

    • 实验环境为64 GB内存,GPU为GTX 1080Ti,使用Tensorflow[30]框架。在训练过程中,对输入图片进行随机失真、旋转、剪裁以提升模型的泛化能力,最后将图片大小调整为(256, 256, 3)。所有方法均采用带动量的随机梯度下降算法进行优化,动量的参数设置为0.9。而对于学习速率,针对不同的模型本文实验采用了不同的学习策略。

      在测试中,将图片缩放到(289, 289, 3),然后中心裁剪将图片裁剪成(256, 256, 3)。为了使得最后生成的描述语句更优,本文实验使用集束搜索(beam search)的方法生成图像描述。

    • K-IFE:为了评估K-IFE模型的性能,将Google-NIC[9]模型的编码器部分替换为K-IFE模型,称为K-NIC模型。图3所示为K-IFE模型预测的图片关键词,可以看出K-IFE模型可以有效预测图像中的内容,能够识别图片中大多数对象、对象属性和对象关系。将上述提取到的关键词特征输入到关键词注意力模块中可以有效地丰富描述语句和提高描述语句的准确度。

      K-AT:K-AT能更好地提取到图像中重要内容的关键词,通过关键词的注意力机制可以让模型在生成语句时关注到重要的关键词,从而通过语义特征引导生成更丰富和准确的描述语句。

      图  3  K-IFE模型的关键词预测

      图4为关键词提取结果以及基于K-AT的图像理解方法生成的描述语句,图4表中标绿单词为关键词权重图,颜色越深表示对该词关注度越高,<pad>表示零填充。通过图4的模型对比可以发现K-AT可以提取出Google NIC[9]不能关注到的词语(如kitchen、grass)。目前大多图像理解方法使用目标检测的方式来识别图片中的对象,目标检测能有效提取出图片中对象,而对图片背景、关系、环境等元素不能有效提取,然而在生成描述语句时,背景、属性、关系等元素同样重要,所以K-AT能直接通过提取关键词的方式有效地提取背景、关系、环境等元素,从而生成更加丰富和准确的描述语句。

      图  4  K-AT模型结果展示与对比

      S-AT:通过空间特征注意力机制引导模型关注图像的重点区域,同时S-AT模型使用抽象程度高的特征,因此整个模型结构也更易理解,正确的关注图像的重点区域,生成的描述语句却更加丰富。

      图  5  空间注意力机制的热力图

      图5为S-AT模型的空间注意力机制的空间热力图,空间热力图(图5a右图、图5b右图)中亮度越高表示权重越大,该区域更加被关注,在生成描述语句时会更加关注权重大的区域。从图5的空间热力图可以发现S-AT能有效检测到模糊对象、背景(如wine、grass),目前大多数图像理解方法都能检测到突出目标,但是对于模糊对象、小目标、背景等元素不能有效地检测,从而降低了描述语句的丰富性和准确性,所以相比于之前的图像描述模型,S-AT可以关注到之前模型不能有效关注到的空间区域和不能有效检测到的元素,从而生成丰富的描述语句。

      M-AT:将K-IFE,K-AT和S-AT进行结合构成基于多模态注意力机制的图像理解方法(M-AT)。使用关键词训练的编码器(K-IFE)提取关键词特征、全局特征和空间特征。S-AT与K-AT在生成语句时充分利用视觉特征与语义特征,S-AT得到更加准确的图像特征。K-AT得到的语义信息有助于引导生成描述语句。当两种注意力机制有一个出现错误时,另一个可以对其进行矫正,从而得到准确、丰富的描述语句。

      本文的方法与其他方法对比如表1所示。实验结果表明本文的S-AT和K-AT方法相比于对比方法有部分提升,通过将S-AT和K-AT进行结合构成的M-AT,相比于对比方法有明显的提升,特别是在CIDEr[29]、METEOR[27]、ROUGE-L[28]评估指标下有1%~2%的提升效果,同时BLEU[26]评估指标与对比方法能达到相同的水平,实验结果表明了本文方法的有效性。

      表 1  不同模型之间的结果对比

      模型评估指标
      CIDErMETEORROUGE-LBLEU-1BLEU-2BLEU-3BLEU-4
      Human0.850.250.480.660.470.320.22
      m-RNN[6]0.790.230.500.680.510.370.27
      Google NIC[9]0.860.240.510.690.510.380.28
      Hard-AT[19]0.870.240.520.710.530.380.28
      VAE[31]0.900.240.720.520.370.24
      Attribute AT[32]0.240.710.530.400.30
      本文K-NIC0.870.240.510.700.510.390.29
      本文K-AT0.870.240.520.700.530.390.29
      本文S-AT0.890.250.520.710.530.390.29
      本文M-AT0.910.250.520.710.530.400.30

      在理想情况下S-AT和K-AT能同时关注到正确的位置和关键词,但是任何一种方法都可能出现误差。通过将K-AT和S-AT进行结合,两种注意力机制能相互增强补充,关键词注意力机制能关注到视觉特征所忽略的细节(背景、关系、环境等),空间注意力机制能关注到小目标、模糊对象等,因此M-AT生成的描述语句包含更多的细节和更高的准确度。如图6所示,M-AT相比于其他方法能关注到(electronics、tall building)这样的小目标和背景等元素,在生成描述语句时,能包含更多细节、背景等描述元素,生成的描述语句会更加接近人类的描述,实现通过机器进行图像理解的目的。

      当K-AT或S-AT其中一个发生关注到错误的关键词或位置的情况时如图7所示,K-AT和S-AT可以进行相互矫正,从而提高描述语句的准确性。

      图7a中红色圆圈表示空间注意力机制关注在错误的区域(sky)上,而下方的关键词注意力机制依然在正确的单词(head)上,生成的描述语句通过关键词注意力机制对空间注意力机制进行矫正,最终能生成更加准确的描述语句。

      图  6  M-AT模型结果对比

      图  7  K-AT和S-AT相互矫正

      图7b中的红色圆圈表示关键词注意力机制关注错误的单词(bush),而空间注意力机制关注在正确的区域(tree),生成的描述语句时通过空间注意力机制对关键词注意力机制进行纠正。

      综上所述,当K-AT和S-AT其中一个出现错误时,两者可以相互矫正,从而将K-AT和S-AT进行结合而成的M-AT能更准确地生成图像描述语句。

    • 本文提出了K-IFE、K-AT、S-AT方法,基于上述工作提出基于多模态注意力机制的图像理解方法(M-AT),该方法通过K-IFE提取更优的图像特征、关键词特征、空间特征,通过关键词注意力机制(K-AT)关注重要词语,通过空间注意力机制(S-AT)能够关注图像更重要的区域并简化模型结构,并且两种注意力机制可以相互增强矫正,最终生成更加准确和丰富的图像描述语句。

参考文献 (32)

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