论文笔记：Image Caption(Show and Tell)

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Show and Tell: A Neural Image Caption Generator

Show and Tell

1、四个问题

1. 要解决什么问题？
   • Image Caption（自动根据图像生成一段文字描述）。
2. 用了什么方法解决？
   • 作者提出了一个基于深度循环架构的生成式模型。
   • 训练时的目标是最大化这个从输入图像到目标描述语句的似然。
3. 效果如何？
   • 所提出模型在几个数据集上的效果都不错。
   • 比如，此前在Pascal数据集上效果最好的BLEU-1分数是25，这里达到了59，与人类的表现（69左右）相当。
   • 在Flickr30k上的BLEU-1分数从56提高到了66。
   • 在SBU上，从19提高到了28.
   • 在最新的COCO数据集上，BLEU-4分数达到了27.7，是目前最好的结果。
4. 还存在什么问题？
   • 由于这篇论文是在15年发表的，当时的state-of-the-art，现在已经算是比较落后的了。
   • 图像特征仅仅是只在开始的时候以bias的形式传入，只关注到了全局特征，模型也是学习到了一种模板然后往里面填词。

2、论文概述

2.1、简介

• Image Caption任务，顾名思义，就是让算法根据输入的一幅图像自动生成对应的描述性文字。
• Image Caption的难点在于，不止要检测到图像中的物体，还需要表示出这些物体相互之间的关系。
• 此前关于Image Caption的尝试，大多数是考虑将那些子问题的一些现有的解决算法拼在一起。
• Image Caption任务数学模型：
  • 输入图像为 $I$。
  • 输出语句是 $S = {S_1, S_2, ...}$，每个单词 $S_t$都是从一个给定的字典中得到的。可以充分地对图像进行描述。
  • 目标函数是最大化似然函数： $p(S | I)$。
• 文中提出的主要思路来自于最近的机器翻译相关的工作。
  • 机器翻译的主要任务是将源语言的语句 $S$转换为目标语言的语句 $T$，通过最大化似然函数 $p(S | I)$。
  • 近期的工作中使用RNN做机器翻译可以取得相当不错的效果。
  • 整体思路是：使用一个“编码器”RNN读取源语句，并将其转换为长度固定的特征向量，而这些特征向量又被用作“解码器”RNN的初始隐藏层状态。最后使用“解码器”RNN来生成目标语句。

• 上图是文中提出的模型，NIC。
• 思路很简单，在机器翻译中有一个编码器RNN、一个解码器RNN，然后把编码器RNN替换成CNN。
  • 在近些年来的研究中，已经充分证明了CNN可以从输入图像中充分地提取特征并嵌入到一个定长的向量中。
  • 很自然地，可以将CNN用作一个编码器，先在ImageNet上进行预训练，随后将其最后一层隐藏层作为作为RNN的输入。
• 论文的贡献有以下三点：
  1. 提出了一个端到端的系统来解决Image Caption任务。
  2. NIC模型结合了分别在CV和NLP领域state-of-the-art的子网络模型。
  3. 相比其他方法，取得了state-of-the-art的效果。

2.2、模型

• 近期的基于统计机器翻译的发展说明了，只要提供了一个强大的序列模型，我们能够直接通过最大化给定输入语句的正确翻译的概率（以一种端到端的方式），来获得state-of-the-art的结果。
• 这些模型使用RNN对变长输入进行编码，得到定长的特征向量，然后再用来解码成期望的输出语句。
• 将编码器的部分换成，输入图像到CNN，输出定长的特征向量。
• 最大化似然的公式可以描述为如下公式：
  • $\theta^* = argmax_{\theta} \sum_{(I, S)} \log p(S | I; \theta)$，其中 $I$是输入图像， $S$是正确的图像描述， $\theta$是模型的参数。
  • $S$可以表示任意语句，它的长度是不确定的。
• 使用链式法则来对 $S_0$到 $S_N$的联合概率建模是很常见的：
  • $\log p(S | I) = \sum_{t=0}^N \log p(S_t | I, S_0, ..., S_{t-1})$。
  • 为简便起见，丢弃了 $\theta$的依赖。
  • 训练中， $(S, I)$是一对样本对。我们求上式的log概率之和，使用SGD进行优化，使其最大。
  • 使用RNN来对 $p(S_t | I, S_0, ..., S_{t-1})$建模，0到 $t-1$为止的可变词数可以用一个定长的隐藏层 $h_t$来表示。
  • 在得到一个新的输入 $x_t$后，会使用一个非线性函数 $f$更新 $h_{t+1} = f(h_t, x_t)$。
  • 为了让上述的RNN模型更具体，还有两个重要的问题要考虑：
    1. 非线性函数 $f$具体的形式是什么样子？
       • $f$使用一个LSTM网络来表示。
    2. 图像和单词如何转换成输入 $x_t$？
       • 使用CNN从图像提取特征，来表示图像。

2.3、LSTM

• 在设计和训练RNN过程中，最具挑战的是如何解决梯度消失和梯度爆炸的问题，所以选择了LSTM。

2.4、训练

• 如果用 $I$表示输入图像，用 $S=(S_0, ..., S_N)$表示描述这个图像的真实句子，展开过程如下：

• 每个单词都被表示为一个与字典等长的one-hot向量 $S_t$。
• $S_0$表示开始单词， $S_N$表示结束单词。 从LSTM检测到停止单词，就意味着已经生成了一个完整的句子。
• 图像和单词都被映射到同一个特征空间，使用CNN提取图像特征，使用word embedding将单词映射为词向量。
• 图像只在 $t=-1$时输入，以告知LSTM图像中的内容。

• loss函数是每个步骤中正确单词的负对数概率之和。

2.4、Inference

• 我们有多种方法来使用NIC模型根据输入图像生成描述。
  1. 第一种是采样。我们可以根据 $p_1$采样得到第一个单词，然后提供对应的embedding作为输入，并采样 $p_2$，不断重复，知道我们采样到特殊句末标识，或到达了最大句长。
  2. 第二种是BeamSearch。迭代地选取直到时间 $t$最好的 $k$个语句作为候选，来长度为 $t+1$时刻的句子，最后只保留其中的 $k$个最好结果。
• 后续的实验中采用BeamSearch的方法，beam大小为20。如果将beam大小取为1，结果会降低2个BLEU点数。

2.5、实验

• 数据集

• 训练细节：
  • 训练中很容易碰到过拟合。
  • 解决过拟合的一个很简单的办法就是，提供大量的数据。但是已有的数据量却不足。
  • 经过实验，作者发现最有效的避免过拟合的方法是使用预训练权重（ImageNet）来初始化CNN。
  • 另外一组权重，即word embedding的权重，使用在一个大型新闻语料库下预训练的结果效果并不理想。所以最后为简单起见，直接就不对其做初始化。
  • 还用了其他一些防止过拟合的策略：dropout，ensemble等。
  • 训练时采用SGD，学习率固定，没有momentum。除了CNN的权重采用ImageNet的预训练权重，其他权重参数都是随机初始化的。
  • embedding的维度是512维，也是LSTM记忆单元的大小。
• 生成结果见表1。

• 生成多样性讨论
  • 表3显示了从beamsearch解码器中返回的N个最佳列表的一些样本，而不是最好的假设。

• 如果选出最好的候选句子，那么这个句子就会在约80％的时间里出现在训练集中。考虑到训练数据较少，并不难预料到，模型相对容易会选取一个模板句子，然后填词进去。
• 如果分析的是生成的前15个最好的句子，大约在50%的时间内，我们可以看到一个全新的语句描述，也可以取得差不多高的BLEU分数。
• 排名结果：

• 人工评估：

• word embedding分析
  • 把输入的前一个词 $S_{t-1}$送入LSTM然后输出 $S_t$，使用了word embedding方法，这样能够摆脱字典大小的依赖。
  • 如表6中所示，一些示例单词，和其最近邻的词向量所对应的单词。
  • 请注意模型学习到一些关系是如何帮助视觉组件的。
    • 比如，将“马”、“小马”和“驴”的词向量彼此靠近，将会鼓励CNN提取与马匹动物相关的特征。

3、参考资料

1. Show and Tell: A Neural Image Caption Generator 翻译
2. Image caption——图像理解——看图说话综述（2015-2018）