基于小樣本學(xué)習(xí)和語義信息的圖像描述模型

王會勇，盧超，張曉明

（河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，石家莊 050000）

0 概述

圖像描述模型的主要工作是根據(jù)圖像的內(nèi)容生成對圖像的描述語句，需要識別圖像中的對象，另外還要考慮所生成描述語句的語法正確性，以接近人類的描述結(jié)果。主流的圖像描述方法傾向于采用編碼器-解碼器模式的端到端神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型［1］。通常使用基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）的結(jié)構(gòu)將圖像編碼成特征向量，然后使用長短期記憶（LSTM）網(wǎng)絡(luò)對該向量解碼生成描述。這些模型通常建立在大量由圖像-描述對構(gòu)成的數(shù)據(jù)集上，如微軟COCO（Microsoft Common Objects in Context）數(shù)據(jù)集［2］，并且通常依賴在相同數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練的目標(biāo)檢測器只能識別固定類別的對象。將這些目標(biāo)檢測器和描述模型訓(xùn)練集之外的對象稱為集外對象（Out of Dataset，OOD）。傳統(tǒng)的目標(biāo)檢測器在不經(jīng)調(diào)整和額外訓(xùn)練的情況下，往往無法有效識別集外對象，因此依賴這些檢測器的圖像描述模型難以描述集外對象，阻礙了這些模型在現(xiàn)實(shí)場景中的泛化。另外，這些集外對象也沒有對應(yīng)的人工編寫的描述語句供模型進(jìn)行學(xué)習(xí)，圖像描述模型在訓(xùn)練時(shí)就無法學(xué)習(xí)到如何對這些對象及所處的場景進(jìn)行描述，難以生成正確的語句。因此，要對集外對象進(jìn)行描述，需要解決2 個(gè)問題：即如何使圖像描述模型識別出集外對象；在圖像描述模型未對集外對象進(jìn)行過描述訓(xùn)練的情況下，如何為該對象生成恰當(dāng)?shù)拿枋觥?/p>

小樣本目標(biāo)檢測器屬于小樣本學(xué)習(xí)領(lǐng)域的一個(gè)新分支。利用包含集外對象的少量示例圖像作為樣本（一般為1～10 張），檢測器就可以識別出這些新對象。相較于傳統(tǒng)目標(biāo)檢測器，可識別的對象不再局限于訓(xùn)練集中那些固定的類別，而且不需要額外的訓(xùn)練，為圖像描述模型識別集外對象提供了途徑。

知識圖譜作為一個(gè)龐大的資源，以三元組的形式提供了豐富的事實(shí)和知識，如果能夠有效利用，則能為自然語言處理任務(wù)提供幫助。根據(jù)知識圖譜提供的與新對象相近實(shí)體的語義信息，可以幫助描述模型計(jì)算上下文語義信息，明確語句中使用的單詞，從而幫助模型生成質(zhì)量更好的語句。

本文提出一種新的模型可以對集外對象進(jìn)行描述。對于給定圖像，采用Resnet101［3］網(wǎng)絡(luò)提取視覺特征，同時(shí)使用小樣本目標(biāo)檢測器識別新對象，后根據(jù)識別出來的對象類別標(biāo)簽查詢相關(guān)的知識圖譜信息，并將與新對象相關(guān)的實(shí)體和LSTM 的當(dāng)前隱藏狀態(tài)作為其輸入，最終得到對圖像的描述。

1 相關(guān)研究

1.1 圖像描述模型與新對象描述

目前圖像描述方法主要利用端到端的序列模型來產(chǎn)生符合一定句法結(jié)構(gòu)的句子。文獻(xiàn)［4］提出CNN+RNN 架構(gòu)，該架構(gòu)利用LSTM 逐字生成句子。文獻(xiàn)［5］通過整合軟、硬注意力機(jī)制進(jìn)一步擴(kuò)展了文獻(xiàn)［4］的工作，在生成相應(yīng)的單詞時(shí)自動關(guān)注圖像內(nèi)的顯著區(qū)域。此外，不同于文獻(xiàn)［5］的工作中解碼階段每個(gè)時(shí)刻都要計(jì)算圖像上的注意力，文獻(xiàn)［6］設(shè)計(jì)了自適應(yīng)注意力機(jī)制以決定何時(shí)依賴視覺信息。文獻(xiàn)［7］通過自下而上和自上而下2 種注意機(jī)制來增強(qiáng)生成語句的質(zhì)量。另外，還有一些研究通過結(jié)合語義信息來改進(jìn)圖像描述模型，如文獻(xiàn)［8］為語義信息添加注意力來提升圖像描述的能力。為進(jìn)一步挖掘圖像中的信息，文獻(xiàn)［9］提出基于高級圖像特征的方法，同時(shí)結(jié)合了圖像質(zhì)量這種低級圖像特征和動作分類以及面部識別這些高級圖像特征。文獻(xiàn)［10］提出一種結(jié)合圖片場景因素的圖像語義理解模型，以解決當(dāng)前圖像描述模型中描述錯誤或忽略場景的問題。考慮語句的語法信息，文獻(xiàn)［11］提出使用句子的詞性標(biāo)簽的方法來幫助模型確定是否需要某個(gè)單詞，提高了單詞的選擇效率。結(jié)合最近NLP 的研究趨勢，Transformer 結(jié)構(gòu)在某些任務(wù)中性能優(yōu)于LSTM 等傳統(tǒng)循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，因此文獻(xiàn)［12］使用Transformer 替代傳統(tǒng)圖像描述模型中的LSTM 解碼器來提升模型的能力。表1 所示為不同模型在BLEU4［13］和METEOR［14］評測標(biāo)準(zhǔn)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 傳統(tǒng)圖像描述模型的評測結(jié)果Table1 Evaluation results of traditional image caption models %

盡管最近基于深度學(xué)習(xí)的圖像描述方法取得了較好的結(jié)果，但它們在很大程度上依賴于數(shù)據(jù)集。這些類型的方法能生成數(shù)據(jù)集中已有對象的描述，但如果在測試集中遇到集外對象，則難以生成相應(yīng)的描述。因此，該方法需要大量圖像-描述對用來訓(xùn)練模型，可識別新對象的圖像描述模型，希望能夠在面對訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中不存在的新對象時(shí)也可以生成良好的描述。

可識別新對象的圖像描述方法一般先將圖像描述訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中的圖像-描述對拆分，分別基于圖像數(shù)據(jù)和描述數(shù)據(jù)訓(xùn)練單獨(dú)的對象目標(biāo)檢測器（或可能增加標(biāo)簽分類器）和語言模型（基于RNN），然后兩部分相結(jié)合進(jìn)行聯(lián)合訓(xùn)練，可以對遇到的新對象進(jìn)行描述。本文所提出的方法與之類似，采用小樣本目標(biāo)檢測器識別圖中的對象，基于LSTM 結(jié)構(gòu)生成描述，但是可識別的對象類型范圍不再受限于檢測器的可識別范圍。

文獻(xiàn)［15］提出了DCC（Deep Compositional Captioner）模型，結(jié)合對圖像的多標(biāo)簽分類器，描述了可以生成訓(xùn)練集中不包含的對象。為更好地接收對象的標(biāo)簽，文獻(xiàn)［16］提出一種復(fù)制機(jī)制來生成新對象的描述。該方法使用單獨(dú)的目標(biāo)檢測為新對象進(jìn)行分類，在體系結(jié)構(gòu)添加了一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)，用于接收目標(biāo)檢測器識別出來的對象，并將它們與LSTM 合并以生成描述，文獻(xiàn)［17］在此基礎(chǔ)上提出一種新的復(fù)制機(jī)制，使用指針網(wǎng)絡(luò)將新對象標(biāo)簽復(fù)制到描述語句中，提高了模型可用的詞匯量。與上述方法不同，文獻(xiàn)［18］提出依據(jù)模板輸出描述，然后用填入對象標(biāo)簽的方法來保證對象標(biāo)簽的接收，并且使用Resnet101 網(wǎng)絡(luò)提取視覺特征，因此模型對新對象識別的平均F1 值較基線模型提高了9.4 個(gè)百分點(diǎn)。表2 所示為模型的實(shí)驗(yàn)測評結(jié)果。

表2 可識別新對象的圖像描述模型評測結(jié)果Table 2 Evaluation results of image caption models that can identify novel objects %

相較于表1 的模型，表2 中的模型需要關(guān)注模型對新對象的識別能力，因此加入了對圖像中對象的平均F1 值（AVG F1）的測評，而基本不再提供BLEU4 結(jié)果。另外，因?yàn)樾枰指钜徊糠謭D像用來測試對新對象的描述能力，模型可用的訓(xùn)練數(shù)據(jù)變少，并且受目標(biāo)檢測器檢測能力的影響，可識別新對象的圖像描述模型的描述能力有所下降。

1.2 運(yùn)用知識圖譜的圖像描述模型

知識圖譜中包含大量的事實(shí)知識，一般用三元組（h，r，t）來表示，h表示頭實(shí)體，t表示尾實(shí)體，r表示2 個(gè)實(shí)體之間的關(guān)系。常見的知識圖譜有DBpedia［19］、ConceptNet［20］等。通過表示學(xué)習(xí)的方法生成三元組的向量，以這種形式為圖像描述模型提供外部知識。CNet-NIC［21］使用YOLO9000［22］作為對象識別的模塊，經(jīng)過訓(xùn)練可以識別9 000 個(gè)對象類別，使用ConceptNet作為外部知識圖譜來獲取與對象相關(guān)的背景知識。描述對象識別模塊在圖像中找到對象，根據(jù)各個(gè)對象檢索兩組相關(guān)詞。然后將得到的詞提供給經(jīng)過預(yù)訓(xùn)練的RNN模塊，以獲得相關(guān)詞語的對應(yīng)向量空間嵌入，METEOR得分為25.6%，較基線模型提高了0.4 個(gè)百分點(diǎn)。文獻(xiàn)［23］給定具有關(guān)聯(lián)標(biāo)簽和其他數(shù)據(jù)（例如地理位置標(biāo)簽等數(shù)據(jù)）的圖像，將圖像輸入描述模板生成器，對于生成器生成的包含占位符的描述語句，根據(jù)實(shí)體類型和頻率選擇使用合適的候選詞進(jìn)行填充，利用來自社交媒體的社會與體育事件生成數(shù)據(jù)集，在其數(shù)據(jù)集上的METEOR 得分為11.0%，較基線模型提高了1.1 個(gè)百分點(diǎn)。KGA-CGM（Knowledge Guided Attention-Caption Generation Model）模型［24］用于在知識圖譜的支持下為訓(xùn)練集中不包含的對象（但包含在目標(biāo)檢測器的訓(xùn)練集中的對象）生成描述。KGA 的核心目標(biāo)是將外部語義注意力引入描述生成模型中，通過外部語義信息提高模型的描述能力，F(xiàn)1 得分為35.8%，提高了2.2個(gè)百分點(diǎn)，準(zhǔn)確率達(dá)到34.2%，提高了3.1個(gè)百分點(diǎn)。另外，文獻(xiàn)［25］采用TransE［26］方法來學(xué)習(xí)主語到賓語之間的轉(zhuǎn)換嵌入，TransE 是知識圖譜中常用的表示學(xué)習(xí)方法，該模型關(guān)注于對象之間關(guān)系的檢測，較其基線模型BLEU4 值提高了7 個(gè)百分點(diǎn)。

包括上述模型在內(nèi)，過去所謂的對新目標(biāo)進(jìn)行圖像描述的模型都普遍依賴于在完整數(shù)據(jù)集上預(yù)訓(xùn)練過的目標(biāo)檢測器，所以在進(jìn)行描述時(shí)出現(xiàn)的對象對于目標(biāo)檢測器不能算是集外對象。集外對象與訓(xùn)練集對象的范圍關(guān)系如圖1 所示。

圖1 集外對象與目標(biāo)檢測器訓(xùn)練集中對象的范圍關(guān)系Fig.1 Scope relationship between objects out of the dataset and objects in the train set of the object detector

超出了之前訓(xùn)練時(shí)數(shù)據(jù)集的范圍，即進(jìn)入到集外對象的范圍內(nèi)，也就超出了檢測器的認(rèn)知范圍，對這些集外對象無法準(zhǔn)確識別，進(jìn)而圖像描述模型的能力也會隨之下降。而傳統(tǒng)模則需要重新訓(xùn)練目標(biāo)檢測器，才能使目標(biāo)檢測可識別的類別范圍擴(kuò)大，之后還要再訓(xùn)練圖像描述模型。在目前沒有解決深度學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練時(shí)對設(shè)備算力的依賴前提下，重新訓(xùn)練無疑需要付出額外成本，這限制了圖像描述模型的泛化能力。本文使用基于小樣本學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測器［27］，該檢測器與其他小樣本學(xué)習(xí)方法［28］類似，可以根據(jù)提供的少量樣本來識別出集外對象，而無需重新進(jìn)行大量的訓(xùn)練，提高了對新對象描述的能力。同時(shí)，使用來自知識圖譜與圖像中對象相關(guān)的實(shí)體信息作為背景語義信息，提升模型所生成描述的質(zhì)量。

本文的主要貢獻(xiàn)如下：

1）將小樣本目標(biāo)檢測器嵌入到圖像描述模型中來幫助識別集外對象。構(gòu)建了one-shot COCO 和one-shot FSOD 數(shù)據(jù)集，每個(gè)類別的對象都有一張包含該對象的圖像相對應(yīng)，為小樣本目標(biāo)檢測器識別數(shù)據(jù)集中的對象提供了參考樣本。

2）提出使用知識圖譜來幫助對集外對象進(jìn)行描述的方法。通過查找知識圖譜中與集外對象（語義）相近的實(shí)體，結(jié)合注意力機(jī)制，幫助模型確定描述語句生成的各個(gè)時(shí)刻上需要輸出的單詞。

2 圖像描述模型

本文提出的圖像描述模型的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)及訓(xùn)練流程，包括如何使用小樣本目標(biāo)檢測器，以及知識圖譜提供的相關(guān)實(shí)體信息。描述模型的整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。該模型采用編碼器-解碼器結(jié)構(gòu)，編碼器是在ImageNet上進(jìn)行過預(yù)訓(xùn)練的Resnet101 網(wǎng)絡(luò)，解碼器使用了LSTM 網(wǎng)絡(luò)。和分別是代表描述開始和結(jié)束的特殊符號，LSTM 網(wǎng)絡(luò)接收到符號后，會開始生成語句，每輸出一個(gè)單詞，就會進(jìn)入下一時(shí)刻，直到模型判斷應(yīng)該輸出符號為止。編碼器對圖像進(jìn)行特征提取，小樣本目標(biāo)檢測器通過將樣本與圖像進(jìn)行對比，判斷出所包含的對象，然后在知識圖譜中查詢出與該對象相關(guān)的實(shí)體，通過注意力機(jī)制確定與LSTM 當(dāng)前隱藏狀態(tài)相對應(yīng)的參考詞供解碼器使用。例如，小樣本目標(biāo)檢測器在輸入圖像中檢測到樣本圖像中的對象，即“horse”，然后模型將在提供相關(guān)背景知識的KG 中查詢與“horse”語義上相近的詞，得到“zebra”“carriage”等實(shí)體，這些實(shí)體詞與“horse”共同組成參考詞供LSTM 使用。在LSTM 接收參考詞之前，需要根據(jù)注意力機(jī)制提供的權(quán)重來確定參考詞的重要性，確定與當(dāng)前狀態(tài)最相關(guān)的參考詞。每個(gè)輸入圖像I，都有5個(gè)樣本語句S作為參考，S=｛w1，w2，…，wN｝，wi表示參考語句中的第i個(gè)單詞。

圖2 圖像描述模型的總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of image description model

2.1 小樣本目標(biāo)檢測

本文使用文獻(xiàn)［27］提出的小樣本目標(biāo)檢測器，該檢測器以faster-RCNN［29］為基礎(chǔ)，使用一張包含待檢測對象的圖像作為樣本，與輸入的圖像分別提取圖像特征，通過圖像特征的比較，判斷輸入圖像中是否包含樣本圖像中的對象，并給出置信度，用以說明檢測器對這一結(jié)果的把握程度。圖3右側(cè)為樣本圖像，包含的對象為“bicycle”，左側(cè)為輸入圖像檢測后得到的結(jié)果。本文使用檢測器的結(jié)果為語言模型提供對象的類別標(biāo)簽信息。

圖3 小樣本目標(biāo)檢測器檢測結(jié)果（左）與樣本圖像（右）展示Fig.3 Detection result（left）and sample image（right）of the few-shot object detector

2.2 輸入圖像的特征

Resnet101 網(wǎng)絡(luò)原本是用于圖像分類的模型，包含101 層CNN 網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)槠淞己玫姆夯阅埽疚牟捎眠@個(gè)網(wǎng)絡(luò)作為圖像描述模型的編碼器，保留Resnet101 前半部分的網(wǎng)絡(luò)主體結(jié)構(gòu)，剔除其作為圖像分類器的功能，從而利用其提取圖像特征的能力。將待描述的圖像作為編碼器的輸入，將圖像特征編碼為固定維度的張量輸出給解碼器，供其生成圖像描述使用。

2.3 對象相關(guān)實(shí)體的信息

本文參考文獻(xiàn)［23］的方法，使用DBpedia Spotlight 工具進(jìn)行實(shí)體抽取，DBpedia Spotlight 是用來對自然語言文本進(jìn)行DBpedia 資源注釋的工具，提供了對命名實(shí)體識別、名稱解析以及其他信息提取任務(wù)有用的功能。使用DBpedia Spotlight 從COCO 數(shù)據(jù)集中的圖像描述中自動提取812 個(gè)不同的實(shí)體標(biāo)簽。然后利用Rdf2vec［30］工具為每一個(gè)實(shí)體標(biāo)簽生成對應(yīng)唯一的向量，向量的維度為500。將這些實(shí)體從文本映射到向量空間中，以通過向量化的形式表示語義信息，具有相關(guān)語義信息的實(shí)體向量在向量空間中有著相近的分布。這些語義向量與由文本計(jì)算得到的GloVe［31］詞向量同樣帶有語義信息，但是實(shí)體向量的生成中包含了知識圖譜中相互關(guān)聯(lián)的三元組之間的語義信息，可以補(bǔ)充GloVe 的能力，而LSTM 在逐個(gè)生成描述語句中的單詞時(shí)，就是依賴于單詞之間的語義信息，判斷單詞之間的相關(guān)性，確定當(dāng)前需要輸出的單詞。通過計(jì)算圖像中對象的向量和實(shí)體向量的相似度，得到與對象最接近的5 個(gè)實(shí)體向量，這些向量所對應(yīng)的實(shí)體，即為對象的相關(guān)實(shí)體。

圖像描述模型使用注意力機(jī)制來整合三元組中的實(shí)體信息Kt。首先計(jì)算各個(gè)實(shí)體向量與LSTM 模型的隱藏狀態(tài)的注意力得分g，計(jì)算公式如式（1）所示：

其中：ei表示相關(guān)實(shí)體（entity）的向量；ht表示LSTM層的隱藏狀態(tài)矩陣；Whe是ei的轉(zhuǎn)換矩陣，將實(shí)體向量轉(zhuǎn)化為和LSTM 層隱藏狀態(tài)相同的尺寸；t代表描述生成過程中的某一時(shí)刻。實(shí)體在當(dāng)前時(shí)刻的注意力權(quán)重信息由基于softmax 的式（2）計(jì)算得到：

其中：L表示相關(guān)實(shí)體的數(shù)目；t代表描述生成過程中的某一時(shí)刻。最后將注意力權(quán)重與對應(yīng)的實(shí)體向量相乘，由式（3）計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻所需實(shí)體信息：

其中：αti表示第t時(shí)刻實(shí)體的權(quán)重信息；ei表示第i個(gè)實(shí)體向量；L表示相關(guān)實(shí)體的數(shù)目。

為了給圖像描述模型提供更豐富的語義信息，本文使用自然語言處理工具NLTK 中的WordNet包，查找到數(shù)據(jù)集中的每個(gè)對象類別的近義詞集，利用WordNet包中自帶的path_similarity、Leacock-Chodorow Similarity、Wu-Palmer Similarity3 種語義相似度計(jì)算策略，分別為每個(gè)對象類別提供了3 種計(jì)算策略下的5 個(gè)同義詞。來自WordNet同義詞使用GloVe 詞向量表示，同樣結(jié)合注意力機(jī)制來進(jìn)行整合。但與實(shí)體信息不同的是，將使用WordNet相似度計(jì)算得到的結(jié)果作為該同義詞的基本權(quán)重。圖像描述模型所使用的來自WordNet的同義詞信息D由式（4）計(jì)算：

其中：si表示同義詞的向量；βi表示第i個(gè)同義詞的權(quán)重；L表示同義詞的數(shù)目。同義詞權(quán)重信息由基于softmax 的式（5）對基礎(chǔ)權(quán)重計(jì)算得到：

其中：ni表示同義詞的基礎(chǔ)相似度；L表示同義詞的數(shù)目。將知識圖譜的實(shí)體信息和WordNet 的同義詞信息送入解碼器供描述模型使用。

2.4 基于LSTM 的解碼器

為了接收并處理生成描述所需的信息，文本設(shè)計(jì)一種基于LSTM 網(wǎng)絡(luò)的解碼器。用于生成描述的解碼器如圖4 所示。其中，Wi是上一時(shí)刻生成的單詞，BOS 是語句的起始標(biāo)志，而EOS 是結(jié)束標(biāo)志，Ci表示由式（1）計(jì)算得到的來自知識圖譜的相關(guān)實(shí)體信息，Pt是當(dāng)前時(shí)刻輸出的單詞對應(yīng)的概率值，yt是t時(shí)刻輸出的單詞，J表示句子的長度，D表示同義詞信息。

圖4 基于LSTM 的描述生成模塊Fig.4 LSTM-based description generation module

LSTM 網(wǎng)絡(luò)解碼器方法如下：

1）由編碼器得到的圖像特征與由小樣本目標(biāo)檢測器得到的對象標(biāo)簽向量進(jìn)行拼接，輸入到第1 層LSTM 網(wǎng)絡(luò)中。

2）將輸出結(jié)果與來自知識圖譜的實(shí)體信息進(jìn)行拼接，輸入到第2 層LSTM 網(wǎng)絡(luò)中。

3）將上一步輸出結(jié)果與上一時(shí)刻輸出的單詞向量進(jìn)行拼接，輸入到第3 層LSTM 網(wǎng)絡(luò)中。

4）第3 層LSTM 網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果，輸入到softmax 層進(jìn)行計(jì)算，為整個(gè)詞典上的單詞計(jì)算概率，概率最高的單詞即為模型所預(yù)測的當(dāng)前時(shí)刻應(yīng)該輸出的單詞。

5）輸出當(dāng)前時(shí)刻的單詞之后，將LSTM 層當(dāng)前的狀態(tài)信息送入下一時(shí)刻，準(zhǔn)備計(jì)算下一時(shí)刻的單詞，直到模型預(yù)測的輸出單詞為結(jié)束符號。

圖像描述模型在t時(shí)刻輸出的單詞對應(yīng)的概率經(jīng)過式（6）～式（8）依次計(jì)算得到：

其中：It是來自CNN 的圖像特征，即圖5 中的Visual feature；B是對象的標(biāo)簽信息，即圖5 中的是第1 層LSTM 上一時(shí)刻的隱藏狀態(tài)；⊕表示將向量進(jìn)行拼接是第1 層LSTM 的輸出結(jié)果。

其中：ct是對象的相關(guān)實(shí)體信息；D是同義詞信息；Wct是對ct和D的拼接結(jié)果的轉(zhuǎn)換矩陣是第2層LSTM上一時(shí)刻的隱藏狀態(tài)是第2 層LSTM 的輸出結(jié)果。

其中：wt-1是上一時(shí)刻的輸出單詞是LSTM 層上一時(shí)刻的隱藏狀態(tài)；pt是模型計(jì)算出的t時(shí)刻所有單詞的概率。模型將根據(jù)計(jì)算結(jié)果選出概率最高的單詞作為t時(shí)刻的輸出結(jié)果。圖像描述模型的目標(biāo)函數(shù)如式（9）所示，其計(jì)算結(jié)果為模型的損失值，代表模型當(dāng)前輸出的描述與數(shù)據(jù)集中真實(shí)描述之間的誤差。通過對模型進(jìn)行優(yōu)化訓(xùn)練，使式（9）計(jì)算出模型的損失值達(dá)到最小。

其中：L表示描述語句的長度；yn是模型生成的語句中輸出的第n個(gè)單詞；P(yn)表示所輸出單詞對應(yīng)的概率。

模型訓(xùn)練時(shí)使用teacher forcing［32］方法來加速模型的訓(xùn)練速度，即在訓(xùn)練過程中，每個(gè)時(shí)刻模型不使用上一時(shí)刻自身輸出的單詞，而使用訓(xùn)練樣本提供的真實(shí)描述中的單詞作為輸入，來預(yù)測到當(dāng)前時(shí)刻所需要的單詞。為了避免teacher forcing 方法帶來的負(fù)面影響，即描述模型的泛化能力較差會影響面對集外對象時(shí)生成的描述質(zhì)量，本文采用了集束搜索方法。搜索寬度為k，即每個(gè)時(shí)刻輸出預(yù)測的單詞時(shí)，保留當(dāng)前累計(jì)預(yù)測概率最高的前k個(gè)語句的結(jié)果，在下一時(shí)刻分別為每個(gè)句子生成下一個(gè)單詞，最終保留所有語句中總體預(yù)測概率最高的一個(gè)作為輸出語句。

3 實(shí)驗(yàn)

為測試本文提出的圖像描述模型對集外對象的描述性能，模型在COCO 訓(xùn)練集上進(jìn)行訓(xùn)練，使用COCO 數(shù)據(jù)集和FSOD［33］的測試集進(jìn)行測試。如前文所述，使用傳統(tǒng)的模型所用的目標(biāo)檢測器，會在COCO 數(shù)據(jù)的所有類別上進(jìn)行訓(xùn)練，所以在COCO數(shù)據(jù)集上進(jìn)行測試時(shí)不存在完全的新對象。為公平比較，本文使用基于Resnet101 的圖像描述模型作為基準(zhǔn)，并且使用相同的數(shù)據(jù)集分割來進(jìn)行訓(xùn)練，然后對比模型的性能，基線模型來自文獻(xiàn)［5］，也是本文所提出的圖像描述模型的基礎(chǔ)模型。

3.1 數(shù)據(jù)集

小樣本學(xué)習(xí)的關(guān)鍵在于模型對新類別的識別能力，為了訓(xùn)練一個(gè)能夠檢測未知物體的模型，必須使用具有大量物體類別的高多樣性數(shù)據(jù)集。

COCO 數(shù)據(jù)集是一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)集，用于圖像識別、分割和描述。為提供小樣本目標(biāo)檢測器需要的樣本圖像，本文根據(jù)COCO 數(shù)據(jù)集的類別構(gòu)建了one-shot COCO 數(shù)據(jù)集。如圖5 所示，針對COCO 中的每個(gè)類別標(biāo)簽都有來自ImageNet［34］的圖像相對應(yīng)，這些圖像中的主體內(nèi)容即所對應(yīng)類別的對象，不會包含太多背景畫面，以避免太多干擾信息影響目標(biāo)檢測器的識別。圖5 中的Labels 就是COCO 數(shù)據(jù)集中對象的類別標(biāo)簽。使用小樣本目標(biāo)檢測器來識別圖像中的對象，根據(jù)提供的樣本圖像可適應(yīng)不同類別的對象，而不需要再進(jìn)行額外的訓(xùn)練，能夠高效地?cái)U(kuò)大可識別對象的類別，更好地幫助圖像描述模型對集外對象進(jìn)行描述。

圖5 one-shot COCO 數(shù)據(jù)集示意圖Fig.5 Schematic diagram of one-shot COCO dataset

COCO 數(shù)據(jù)集包含有限的類別，為此本文使用FSOD 數(shù)據(jù)集對模型進(jìn)行后續(xù)的測試。FSOD 數(shù)據(jù)集是專門為小樣本學(xué)習(xí)而設(shè)計(jì)的，其構(gòu)建目的是評估模型在新類別上的泛化能力，測試集包含200 個(gè)類別。通過在FSOD 上的測試，可以反映出基于小樣本目標(biāo)檢測器的圖像描述模型面對更多類別的集外對象時(shí)的表現(xiàn)。

3.2 參數(shù)設(shè)置

模型使用PyTorch［35］框架來實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用Adam 優(yōu)化方法進(jìn)行訓(xùn)練，初始學(xué)習(xí)率為10-3，每10 000 個(gè)batch 衰減1/2。模型都是從頭開始進(jìn)行端到端的訓(xùn)練，不需要額外的數(shù)據(jù)集。本文使用NLP 領(lǐng)域中常用的GloVe 詞向量，維度為300，將LSTM 模塊中的隱藏層維度設(shè)置為512，激活函數(shù)為sigmoid 函數(shù)。本文使用小樣本學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測器同樣運(yùn)用Adam 優(yōu)化器，且已經(jīng)進(jìn)行過預(yù)訓(xùn)練，實(shí)驗(yàn)中不再進(jìn)行微調(diào)。模型在訓(xùn)練集上總共訓(xùn)練了20 個(gè)epoch，其中前13 個(gè)epoch 只訓(xùn)練解碼器，之后7 個(gè)epoch 對編碼器也進(jìn)行微調(diào)。對照實(shí)驗(yàn)所使用的基線模型采用了相同的訓(xùn)練參數(shù)。

3.3 評估指標(biāo)

BLEU4、METEOR、ROUGE_L［36］和SPICE［37］通常用來評估生成的圖像描述的質(zhì)量，其中，BLEU4 最早應(yīng)用于機(jī)器翻譯結(jié)果的評測，根據(jù)機(jī)器生成的結(jié)果與人工標(biāo)注的語句中的共現(xiàn)情況來計(jì)算得分；METEOR使用WordNet 提供的信息，考慮到了生成的描述與參考描述之間的同義詞、詞根和詞綴的匹配情況；ROUGE_L 主要考慮生成的描述語句中所使用單詞的召回率（Recall）；SPICE 是專門用來進(jìn)行圖像描述結(jié)果評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，更多地考慮語義信息，使評測結(jié)果更接近人類的判斷。模型在這些評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)上的得分越高，就表明模型的性能越好。為了保持公正性，在本文的實(shí)驗(yàn)中的得分指標(biāo)都是利用COCO 官方發(fā)布的代碼來計(jì)算的。另外，對于COCO數(shù)據(jù)集和不包含人工描述FSOD的圖像描述的評估，參考文獻(xiàn)［16，38］的方法和指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)描述結(jié)果中各個(gè)類別對象的F1 得分，并且結(jié)合了精確率（Precision）、召回率（Recall）和準(zhǔn)確率（Accuracy）。具體計(jì)算如式（10）所示：

其中：Precision 表示某類對象的精確率；Recall 表示該類對象的召回率。精確率、召回率和準(zhǔn)確率的計(jì)算公式如式（11）～式（13）所示：

其中：TP 表示被模型預(yù)測為正值的正樣本；FN 表示被模型預(yù)測為負(fù)值的正樣本；TN 表示被模型預(yù)測為負(fù)值的負(fù)樣本；FP 表示被模型預(yù)測為正值的負(fù)樣本。

3.4 結(jié)果分析

需要對比測試的項(xiàng)目為對圖像的描述性能、新對象的識別準(zhǔn)確率。模型和基準(zhǔn)采用了相同的訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行訓(xùn)練。

3.4.1 在COCO 數(shù)據(jù)集上的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中對COCO 數(shù)據(jù)集進(jìn)行了重新的劃分，并且按照訓(xùn)練小樣本目標(biāo)檢測器時(shí)的劃分，將COCO數(shù)據(jù)集分割為4 組（split1～split4），每組都有20 個(gè)類別，使用后3 組作為訓(xùn)練集，第1 組作為測試集進(jìn)行測試。訓(xùn)練集中包含第1 組對象的圖像將被剔除，而測試集保持不變，包含全部類別。這樣是為了使目標(biāo)檢測器和圖像描述訓(xùn)練數(shù)據(jù)集保持一致。具體分組與統(tǒng)計(jì)如圖6 所示。

圖6 COCO 數(shù)據(jù)集類別分組Fig.6 Groups of COCO dataset categories

測試時(shí)需要模型生成對圖像的描述，并且根據(jù)新對象是否出現(xiàn)在描述中來判斷模型是否對圖像中的新對象進(jìn)行了描述，并且統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確率。描述語句在COCO 數(shù)據(jù)集上的描述測評結(jié)果對比如表3 所示，其中，KG 為使用知識圖譜信息，withoutKG 則只使用來自目標(biāo)檢測器的標(biāo)簽信息。

表3 COCO 數(shù)據(jù)集上的評測結(jié)果Table 3 Evaluation result on COCO dataset %

通過表3 的對比可以發(fā)現(xiàn)，本文提出的模型較基線模型在各項(xiàng)測評中均有所提升。在不使用來自知識圖譜的信息時(shí)，模型能力的提升來自于對小樣本目標(biāo)檢測器的利用，通過接收集外對象的標(biāo)簽信息，生成的描述中可以包含這些對象，提高了描述的正確性。如果使用來自知識圖譜的信息，則評測結(jié)果可以進(jìn)一步提高，說明這些信息可以幫助提升描述結(jié)果的質(zhì)量。因?yàn)閬碜灾R圖譜的相關(guān)實(shí)體信息提供了當(dāng)前對象以及已生成單詞的相關(guān)語義信息，可以幫助模型計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻最適合輸出的單詞。

在COCO 數(shù)據(jù)集上的F1 得分結(jié)果對比如表4 所示，其中，Seen 表示訓(xùn)練集中出現(xiàn)過的類別，Unseen是集外對象的結(jié)果。

表4 在COCO 數(shù)據(jù)集上的F1 值結(jié)果Table 4 F1 score on COCO dataset %

本文提出的模型在COCO 數(shù)據(jù)集上的準(zhǔn)確率、精確率、召回率如表5 所示，其中，Seen 表示訓(xùn)練集中出現(xiàn)過的類別，unseen 是集外對象的結(jié)果。

表5 在COCO 數(shù)據(jù)集上的準(zhǔn)確率、精確率和召回率Table 5 Accuracy，precision and recall on COCO dataset %

由表4 和表5 可知，本文提出的模型在對新對象的描述F1 值上較基準(zhǔn)模型提高了16.1 個(gè)百分點(diǎn)，在整個(gè)測試集上的平均F1 值提高了6.6 個(gè)百分點(diǎn)。且模型面對新對象時(shí)的準(zhǔn)確率、精確率和召回率會低于面對已知對象，這與傳統(tǒng)描述模型的情況類似。由此可知，本文提出的模型在面對新對象時(shí)的描述能力相對于基線模型有所提升，但是因?yàn)樾聦ο鬀]有出現(xiàn)在訓(xùn)練集中，并且會受目標(biāo)檢測器的影響，對這些對象的能力要弱于對已知對象的描述。另外，是否使用知識圖譜對結(jié)果的提升影響較小，說明對圖像中對象的準(zhǔn)確度更多地受到小樣本目標(biāo)檢測器的影響，特別是在集外對象的識別。

3.4.2 同義詞采用不同計(jì)算策略對模型的影響

來自WordNet 的同義詞信息可以提供與對象相近的語義信息，從而提升圖像描述模型的能力。為此，本文比較了WordNet 中不同語義相似度計(jì)算策略對模型描述能力的影響，3 種計(jì)算策略下同義詞對模型的影響如表6 所示（粗體為結(jié)果最優(yōu)），其中，path 表示path_similarity，lch 表示Leacock-Chodorow Similarity，wup 表示W(wǎng)u-Palmer Similarity 策略。

表6 3 種計(jì)算策略下同義詞對模型的影響Table 6 Influence of synonyms under three computing strategies on the model %

從表6 可以看出，模型額外使用WordNet 同義詞與只使用實(shí)體信息相比還有進(jìn)一步提升。但不同的計(jì)算策略得到的最終描述結(jié)果總體差距不大，推測是因?yàn)樗褂玫牟煌x詞之間的語義相似度較高，提供給模型的語義信息是相近的，所以最終結(jié)果也會相近。

3.4.3 測試搜索寬度對模型的影響

不同的搜索寬度（beam size）意味著模型在生成描述時(shí)，同時(shí)保留高概率的潛在輸出單詞。例如搜索寬度為3 時(shí)，模型在ti時(shí)刻保留3 個(gè)最好的待完成的語句，進(jìn)入ti+1時(shí)刻分別為每個(gè)語句計(jì)算出概率最高的后續(xù)單詞，并對所有的語句進(jìn)行排序，然后保留概率最高的前3 名，進(jìn)入到下一時(shí)刻。為測試不同搜索寬度對模型的影響，本文設(shè)計(jì)了在COCO 數(shù)據(jù)集上運(yùn)用不同搜索寬度的實(shí)驗(yàn)，使用Wu-Palmer Similarity 策略下的同義詞權(quán)重。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7 所示（粗體為結(jié)果最優(yōu)）。

表7 不同搜索寬度下的評測結(jié)果Table 7 Evaluation results under different beam size %

表7 中記錄了6 種搜索寬度下模型生成描述語句的評測結(jié)果。可以看出在BLEU4、METEOR 和ROUGE_L 3 項(xiàng)指標(biāo)上，隨著搜索寬度的增大，模型表現(xiàn)更好。由于SPICE 是專為圖像描述設(shè)計(jì)的測評指標(biāo)，本文的測評優(yōu)先考慮SPICE。結(jié)合圖7 可以看出，搜索寬度為3 或4 時(shí)，結(jié)果最好，繼續(xù)增大搜索寬度，SPICE 結(jié)果并不會提高。另外，寬度為4 時(shí)，其他評測指標(biāo)的上的表現(xiàn)都高于寬度為3 時(shí)的結(jié)果，綜合以上結(jié)果，在搜索寬度為4 時(shí)模型的表現(xiàn)最好。

圖7 不同搜索寬度下的SPICE 結(jié)果Fig.7 SPICE results under different beam sizes

在COCO 數(shù)據(jù)集為每張圖像所提供的5 句人工標(biāo)注的樣本中，并不一定都會包含某個(gè)對象，這會對模型的訓(xùn)練產(chǎn)生影響，導(dǎo)致模型在描述中忽略這個(gè)對象。本文剔除了這些數(shù)據(jù)，因此模型訓(xùn)練時(shí)的數(shù)據(jù)集規(guī)模變小。本文使用包含20 個(gè)集外對象的完整COCO 訓(xùn)練集訓(xùn)練的基線模型，并使用相同的參數(shù)設(shè)置，此時(shí)BLEU4 得分可以達(dá)到30.4，使用分割后的訓(xùn)練集，基線模型的BLEU4 得分為19.22，由此判斷描述模型受到訓(xùn)練數(shù)據(jù)集規(guī)模的縮小的影響。

3.5 在FOSD 數(shù)據(jù)集上的對比實(shí)驗(yàn)

對于FSOD 數(shù)據(jù)集，本文同樣構(gòu)建了包含每個(gè)類別對象的樣本數(shù)據(jù)集。經(jīng)過COCO 數(shù)據(jù)集上的訓(xùn)練，模型已經(jīng)具備圖像描述的能力，接下的測試重點(diǎn)是對集外對象的識別能力。本文對FSOD 測試集上的每個(gè)類別進(jìn)行測試，每個(gè)類別得到一個(gè)準(zhǔn)確率，通過平均200 個(gè)類別對象的分?jǐn)?shù)獲得最終的F1 值為16.2%，精確率為17.6%，召回率為15.0%，準(zhǔn)確率為16.9%。FSOD 數(shù)據(jù)集圖像內(nèi)容比COCO 數(shù)據(jù)集復(fù)雜，而且對象類別數(shù)量更多，對模型的能力要求更高。圖8 所示為圖像描述模型的描述能力，對比了基線模型和本文提出的模型，搜索寬度為4，使用了知識圖譜信息和WordNet 信息，同義詞權(quán)重計(jì)算策略為Wu-Palmer Similarity。

圖8 本文模型與基線模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Fig.8 Comparison between experimental results of this model and baseline model

在圖8 中，加下劃線的詞就是該圖像中對應(yīng)的對象的標(biāo)簽。圖8（a）中的對象是“train”，對基線模型和小樣本圖像描述模型來說都不算是新對象，所以2 個(gè)模型的描述都包含這一對象。在剩下的圖像中，“skateboard”“elephants”“refrigerator”“airplane”為新對象，所以基線模型難以描述這些對象，而小樣本圖像描述模型可以識別并生成包含這些對象的描述。

圖9 所示為模型生成描述時(shí)所采用的樣本圖像與待描述的圖像，其中圖像右側(cè)為小樣本檢測器的參考圖像。小樣本圖像描述模型通過目標(biāo)檢測器的檢測，識別出圖9（a）圖像中的“pizza”，和圖9（b）圖像中的“bus”，并且在描述中包含了識別出來的新對象。

圖9 樣本圖像與待描述圖像的展示Fig.9 Display of sample images and images to be described

在圖10（a）和圖10（b）中，待描述的圖像相同，但是參考樣本圖像不同。圖10（a）中的“bus”被小樣本目標(biāo)檢測器檢測出來，但是圖10（b）中的“umbrella”卻沒有被識別出來。從圖10 的結(jié)果可以看出，未被識別的“umbrella”是樣本圖像與實(shí)際待描述對象的差異導(dǎo)致的，這一問題有待后續(xù)改進(jìn)。

圖10 采用不同樣本圖像時(shí)的識別結(jié)果Fig.10 Recognition results when using different sample images

4 結(jié)束語

本文提出一個(gè)基于小樣本學(xué)習(xí)和語義信息的圖像描述模型。利用小樣本目標(biāo)檢測器，并結(jié)合知識圖譜中與對象相關(guān)的實(shí)體信息作為背景知識，對集外對象進(jìn)行描述。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與基線模型相比，該模型不僅能夠識別集外對象，還可以有效提升所生成描述的質(zhì)量，并且減少對訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中對象類別數(shù)量上的依賴，有利于圖像描述模型的實(shí)際應(yīng)用。下一步研究是改進(jìn)小樣本識別模塊以提高檢測器的性能。