自适应注意力机制在Image Caption中的应用

Introduction

目前大多数的基于 Attention 机制的 Image Captioning 模型采用的都是 encoder-decoder 框架。然而在 decode 的时候，decoder 应该对不同的词有不同的 Attention 策略。例如，“the”、“of”等词，或者是跟在“cell”后面的“phone”等组合词，这类词叫做非视觉词（Non-visual Word），更多依赖的是语义信息而不是视觉信息。而且，在生成 caption 的过程中，非视觉词的梯度会误导或者降低视觉信息的有效性。

因此，本文提出了带有视觉标记的自适应 Attention 模型（Adative Attention Model with a Visual Sentinel），在每一个 time step，模型决定更依赖于图像还是 Visual Sentinel。其中，visual sentinel 存放了 decoder 已经知道的信息。

本文的贡献在于：

Spatial Attention Model

文章介绍了普通的 encoder-decoder 框架，这里不再赘述。但文章定义了 context vector ct，对于没有 attention 机制的模型，ct 就是图像经过 CNN 后提取出的 feature map，是不变的；而对于有 attention 机制的模型，基于 hidden state，decoder 会关注图像的不同区域，ct 就是该区域经过 CNN 后提取出的 feature map。

文章对 ct 的定义如下：

其中 g 是 attention function，V=[v1,...,vk] 代表 k 个区域的图像 feature，ht 是 t 时刻 RNN 的 hidden state。 由此可以得到 k 个区域的 attention 分布 αt：

这里把 V 与 ht 相加，而有些论文则使用一个双线性矩阵来连接它们。

其中是所有元素为 1 的向量，目的是让相乘得到 k*k 大小的矩阵。最终本文的 ct 为：

与 show, attend and tell [1] 使用 ht−1 的做法不同，本文使用的是 ht。结构如下：

作者认为 ct 可以看作 ht 的残差连接，可以在预测下一个词时降低不确定性或者提供情报。（不是应该做一个实验验证使用 ht 和 ht−1 的差别？）并且发现，这种 Spatial Attention 方式比其他模型表现更好。

Adaptive Attention Model

decoder 存储了长时和短时的视觉和语义信息，而 Visual Sentinel st 作为从里面提取的一个新的元件，用来扩展上述的 Spatial Attention Model，就得到了 Adaptive Attention Model。

具体的扩展方式就是在原有的 LSTM 基础上加了两个公式：

其中 xt 是 LSTM 的输入，mt 是 memory cell（有些论文里用 ct 表示）。

这里的 gt 叫 sentinel gate，公式形式类似于 LSTM 中的 input gate, forget gate, output gate，决定了模型到底关注图像还是 visual sentinel；而 st 公式的构造与 LSTM 中的 ht=ot⊙tanh(ct) 类似。

Adaptive Attention Model 中的 Context Vector：

βt∈[0,1] 可以视为真正意义上的 sentinel gate，控制模型关注 visual sentinel 和 ct 的程度。与此同时，Spatial Attention 部分 k 个区域的 attention 分布 αt 也被扩展成了 αt^，做法是在 zt 后面拼接上一个元素：

扩展后的 αt^ 有 k+1 个元素，而 βt=αt^[k+1]。（CVPR 和 arXiv 版本的原文都写的是 βt=αt[k+1]，我在 Github 上问了作者，这确实是个笔误 [2]）。

这里的 Wg 与中的 Wg 是相同的（为什么这样做？Wh 也一样吗？作者在这里没有提到，在后续论文 [3] 里的公式 (9) 提到了）。

上述公式可以简化为：

最终单词的概率分布：

具体架构如下：

Implementation Details

文章选择了 ResNet 的最后一层卷积层的特征来表示图像，维度是 2048x7x7，并使用

来表示 k 个局部图像特征，而全局图像特征则是局部特征的平均：

局部图像特征需要经过转换：

最终全局图像特征将与 word embedding 拼接在一起成为 LSTM 的输入：xt=[wt;vg] 局部图像特征则用在了 attention 部分。

Experiment

Table 1 在 test splits 上对比了在 Flickr30k 和 MSCOCO 数据集上模型与其他模型的表现，可以看到，模型的 Spatial Attention 部分就已经比其他模型表现好了，而加入了 Adaptive Attention 部分以后表现更加出色。

Table 2 在 COCO server 上对比了模型与其他模型的表现可以看到，Adaptive Attention 模型（emsemble后）的表现是当时 SOTA 的结果。

Fig 4 是 Spatial Attention的权重 α 的可视化结果，前两列是成功的样本，最后一列是失败的样本。模型进行 attention 的区域基本都是合理的，只是可能对一些物体的材质判断失误。

Fig 5 主要是 sentinel gate 1−β 的可视化，对于视觉词，模型给出的概率较大，即更倾向于关注图像特征 ct，对于非视觉词的概率则比较小。同时，同一个词在不同的上下文中的概率也是不一样的。如"a"，在一开始的概率较高，因为开始时没有任何的语义信息可以依赖、以及需要确定单复数。

Fig 6 对 COCO 和 Flickr30k 中词典中的词被认为是视觉词的平均概率进行了排序，来看看模型能否分辨出视觉词与非视觉词，两个数据集间的相关性为 0.483。其中：

1. 对于一些实际上是视觉词，但是与其他词有很大关联性的词，模型也会把它视为非视觉词，如"phone"一般都跟在"cell"后面；

2. 不同数据集上不同的词的概率不一样，如"UNK"，可能是由于训练数据分布的不同；

3. 对于一些有相近意义的同源词，如"crossing", "cross", "crossed"，他们的概率却相差很大。（为什么？） 模型没有依赖外部的语料信息，完全是自动地发现这些趋势。

Fig 11 显示了使用弱监督方法生成的 bounding box 与真实 bounding box 的对比。本文是第一个使用这种方法来评估 image caption 的 attention 效果的。

具体生成方法是，对于某个单词而言，先用 NLTK 将其映射到大类上，如“boy”, “girl”映射到 people。然后图像中 attention weight 小于阈值（每个单词的阈值都不一样）的部分就会被分割出来，取分割后的最大连通分量来生成 bounding box。

并计算生成的和真实 bounding box 的 IOU (intersection over union)，对于 spatial attention 和 adaptive attention 模型，其平均定位准确率分别为 0.362 和 0.373。说明了，知道何时关注图像，也能让模型更清楚到底要去关注图像的哪个部分。

Fig 7 显示了 top 45 个 COCO 数据集中出现最频繁的词的定位准确性。对于一些体积较小的物体，其准确率是比较低的，这是因为 attention map 是从 7x7 的 feature map 中直接放大的，而 7x7 的 feature map 并不能很好地包含这些小物体的信息。

Fig 8 显示了单词“of”在 spatial attention 和 adaptive attention 模型中的 attention map。如果没有 visual sentinel，非视觉词如“of”的 attention 就会高度集中在图像的边缘部分，可能会在反向传播时形成噪声影响训练。

总结

本文提出了 Adaptive Attention 机制，其模型公式都非常简单，Adaptive Attention 部分增加的几个变量也非常简洁，但却对模型的表现有了很大的提升。文章进行的详尽的实验又进一步验证了 Adaptive Attention 的有效性，可谓非常巧妙。