一種無監(jiān)督下利用多模態(tài)文檔結(jié)構(gòu)信息幫助圖片-句子匹配的采樣方法

引 言

本文介紹了復(fù)旦大學(xué)數(shù)據(jù)智能與社會計算實驗室 (Fudan DISC) 在AAAI 2021上錄用的一篇關(guān)于多模態(tài)匹配的工作:An Unsupervised Sampling Approach for Image-Sentence Matching UsingDocument-Level Structural Information，提出了一種無監(jiān)督設(shè)定下，更有效地利用多模態(tài)文檔的共現(xiàn)結(jié)構(gòu)信息幫助采樣完成句子-圖片匹配的方法。本文的合作單位是杭州之江實驗室。

文章摘要

文章針對無監(jiān)督的句子圖片匹配任務(wù)?，F(xiàn)存的方法主要通過利用多模態(tài)文檔的圖片句子共現(xiàn)信息來無監(jiān)督地采樣正負(fù)樣本對，但是其在獲得負(fù)樣本時只考慮了跨文檔的圖片句子對，在一定程度上引入了采樣的偏差，使得模型無法分辨同一文檔內(nèi)語義較為近似的圖片和句子。

在本文中，我們提出了一種新的采樣的方法，通過引入同一文檔內(nèi)的圖片句子對作為額外的正負(fù)樣本來減小采樣的偏差；進(jìn)一步，我們提出了一個基于Transformer的模型來識別更為復(fù)雜的語義關(guān)聯(lián)，該模型為每個多模態(tài)文檔隱式地構(gòu)建了一個圖的結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了同一篇文檔內(nèi)句子和圖片的表征學(xué)習(xí)間的橋梁。實驗的結(jié)果證明了我們提出的方法有效的減小偏差并且進(jìn)一步獲得了更好的跨模態(tài)表征。

研究背景

圖1. 句子-圖片匹配任務(wù)說明

（綠色/藍(lán)色點代表圖片/句子，紅色實線代表匹配關(guān)系的標(biāo)簽，紅色/藍(lán)色虛線代表無監(jiān)督方法選出的（偽）正/負(fù)樣本對）

圖片-句子的匹配一直是跨模態(tài)領(lǐng)域的基礎(chǔ)任務(wù)，其根本的目的是對其視覺和文本的語義空間。如(a)所示，兩個模態(tài)之間本身存在著語義空間上的差異，對其的常見方法是通過有監(jiān)督的標(biāo)簽拉近匹配的樣本對，如(b)所示。在無監(jiān)督的環(huán)境下，最大的挑戰(zhàn)即為如何選擇出想要拉近的正樣本對和遠(yuǎn)離的負(fù)樣本對。

如(c)所示，最近的無監(jiān)督的方法通過文檔的圖片句子共現(xiàn)信息，通過拉近句子集合和圖片集合的方式來進(jìn)行訓(xùn)練，其中，同文檔內(nèi)語義近似的句子-圖片對被看作正樣本，而跨文檔間的句子-圖片對被看作負(fù)樣本，如(c)所示，這樣的方法沒有考慮到文檔內(nèi)部語義相似度更高的負(fù)樣本，其選出的負(fù)樣本與真實的負(fù)樣本分布存在著偏差。

于是本文提出了新的采樣策略，如(d)所示，我們引入了更多同一文檔內(nèi)部的正負(fù)樣本對來幫助訓(xùn)練。進(jìn)一步，為了更好地識別同一文檔內(nèi)更加復(fù)雜的句子圖片語義匹配模式，我們考慮使用更加細(xì)粒度的表征學(xué)習(xí)方法，提出了一個新的基于Transformer的模型，在其中為每個文檔的句子圖片間隱性建模了一個圖，來幫助獲得更好的跨模態(tài)表征。

方法描述

采樣方法

本文的方法基于三個部分的采樣，通過3個訓(xùn)練目標(biāo)實現(xiàn)，如圖2所示。

圖2. 三個部分的采樣和訓(xùn)練目標(biāo)示意

第一個部分為之前的工作提出的跨文檔訓(xùn)練目標(biāo)(cross-document objective)。其假設(shè)為同一文檔內(nèi)的句子集合和圖片集合間的相似度要整體高于來自兩個不同文檔的句子集合和圖片集合間的相似度，背后通過一定的方式來選出幾個句子圖片對之間的相似度來代表句子集合和圖片集合間的相似度。其采樣得到的正樣本為來自同一文檔的語義較為近似的句子-圖片對；負(fù)樣本為來自不同文檔的語義較為近似的圖片句子對。

第二個部分為文檔內(nèi)部的訓(xùn)練目標(biāo)(intra-document objective)。其假設(shè)為同一篇文檔內(nèi)部的語義近似的圖片句子對之間的相似度也要高于內(nèi)部語義相差較遠(yuǎn)的圖片句子對間的相似度，高于一定的值，在此目標(biāo)下采樣出的正樣本為來自同一文檔的語義較為近似的句子-圖片對；負(fù)樣本為來自同一文檔的語義相差較遠(yuǎn)的圖片句子對。

第三個部分為次跨文檔訓(xùn)練目標(biāo)(dropout sub-document objective)。其假設(shè)為即使一篇文檔我們將其隨機(jī)的遮蓋住部分的句子/圖片，剩下的殘缺文檔內(nèi)的句子集合和圖片集合間的相似度也要高于跨文檔間的圖片集合-句子集合間的相似度。在此目標(biāo)下采樣出的正樣本為來自同一“殘次”文檔的語義較為近似的句子-圖片對；負(fù)樣本為來自不同文檔的語義近似的圖片句子對。

跨模態(tài)表征模型

圖3. 總的模型結(jié)構(gòu)示意

由于引入了更多的同一文檔內(nèi)的圖片句子對，我們需要得到包含更細(xì)粒度信息的多模態(tài)表征，所以我們將圖片分割為區(qū)域，將句子分割為token，Transformer可以看作是帶有attention機(jī)制的圖網(wǎng)絡(luò)，我們通過兩個視覺/文本的Transformer對各模態(tài)內(nèi)的（區(qū)域/token）節(jié)點進(jìn)行編碼，與此同時我們引入了視覺的概念，這里我們將圖片區(qū)域預(yù)測出的標(biāo)簽作為圖片包括的概念，將它們作為中間的橋梁將兩個模態(tài)的圖橋接起來。概念會直接加入到視覺的圖中，作為節(jié)點存在，而概念和文本端的關(guān)系通過共享的embedding層來實現(xiàn)。這樣的模型里，當(dāng)句子里直接提到了區(qū)域里對應(yīng)的概念時，我們的模型就能很快地捕捉到這樣的匹配關(guān)系。

實驗

我們在無監(jiān)督的多句子多圖片文檔內(nèi)的跨模態(tài)鏈接預(yù)測任務(wù)上進(jìn)行了實驗，其中包括了基于MSCOCO, VIST構(gòu)建出的三個文檔數(shù)據(jù)集。對于每一個文檔，其內(nèi)部有多個句子和多個圖片，需要去預(yù)測其中句子和圖片間是否存在著鏈接的邊（匹配關(guān)系），使用AUC/P@1/P@5進(jìn)行評估。相較于之前只使用cross-document objective的方法（表內(nèi)MulLink），我們的方法有了明顯的提高。

表1. 總的實驗結(jié)果

同時我們對我們提出的模型的結(jié)構(gòu)，和三個部分的訓(xùn)練目標(biāo)進(jìn)行了消融實驗：

表2. 部分消融實驗的結(jié)果

（S列代表采樣方法，T代表同時使用三種目標(biāo)訓(xùn)練，O代表只使用跨文檔訓(xùn)練目標(biāo)，w/o代表without，w/o Transformer的方法里我們使用GRU對句子進(jìn)行表征，對圖片的各個區(qū)域進(jìn)行softmax pooling進(jìn)行表征。）

可以看到整體上同時使用三種目標(biāo)可以采樣到更多的信息，幫助訓(xùn)練，我們也對三個目標(biāo)進(jìn)行了更加細(xì)致的消融實驗，詳情可以參考原文。同時我們提出的模型更好地利用了細(xì)粒度的信息，也獲得了更好地跨模態(tài)表征。

同時，我們進(jìn)行了有監(jiān)督、無監(jiān)督和遷移學(xué)習(xí)的比較。有監(jiān)督的方法直接使用文檔內(nèi)的匹配的圖片句子對作為訓(xùn)練，如圖4，遷移學(xué)習(xí)則嘗試遷移從MSCOCO上進(jìn)行有監(jiān)督訓(xùn)練的信息到DII測試集上，如表3。

圖4. 有監(jiān)督-無監(jiān)督比較

藍(lán)色代表有監(jiān)督學(xué)習(xí)下，隨著使用的數(shù)據(jù)增加在測試集上的表現(xiàn)

表3. 遷移學(xué)習(xí)和無監(jiān)督學(xué)習(xí)的比較

可以看到相較于只使用跨文檔訓(xùn)練目標(biāo)，同時使用三種目標(biāo)得到的更多樣本對里包括了更多的信息，我們無監(jiān)督的方法可以利用訓(xùn)練集內(nèi)更多的信息（~40%），相較于遷移自其他數(shù)據(jù)集的信息，也更加有效。

除此之外，我們通過錯誤分析的方法驗證我們的方法對于偏差的修正效果。該偏差的表現(xiàn)為同一文檔內(nèi)的句子和圖片更加近似，跨文檔內(nèi)的圖片和句子差異更大，所以我們使用文檔內(nèi)的句子/圖片表征的發(fā)散程度來代表這個差異，同一文檔內(nèi)越發(fā)散，訓(xùn)練和測試之間的差異越小。在DII上，我們使用每個文檔內(nèi)句子/圖片的發(fā)散程度來擬合該文檔鏈接預(yù)測的AUC，原來的方法得到的線性模型的R方為42%，也就是說差異能很大程度解釋錯誤的原因，而我們的方法得到的R方為23%，這意味著該差異對于結(jié)果的作用減弱了，加上我們模型整體上更好地表現(xiàn)，我們可以認(rèn)為我們減弱了采樣的偏差，使得偏差引起的錯誤減少了。

結(jié)論

在本文里，我們對于無監(jiān)督的句子-圖片匹配任務(wù)，針對之前方法存在的采樣偏差問題提出了新的采樣策略，希望更高效地利用多模態(tài)文檔內(nèi)句子和圖片共現(xiàn)的結(jié)構(gòu)信息，引入了更多的來自同一文檔內(nèi)的正/負(fù)圖片-句子對。同時提出了可以利用更細(xì)粒度信息的模型，建立了跨模態(tài)表征學(xué)習(xí)的關(guān)系橋梁。最終的實驗證明了我們方法的有效性。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：【Fudan DISC】一種無監(jiān)督下利用多模態(tài)文檔結(jié)構(gòu)信息幫助圖片-句子匹配的采樣方法

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