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多模态下使用图片信息显着增强机器翻译效果

论文标题:

 

Neural Machine Translation with Universal Visual Representation

 

论文作者:

 

Zhuosheng Zhang, Kehai Chen, Rui Wang, Masao Utiyama, Eiichiro Sumita, Zuchao Li, Hai Zhao

 

论文链接:

 

https://openreview.net/forum?id=Byl8hhNYPS

 

收录情况:

 

ICLR 2020 (Spotlight)

 

代码链接:

 

https://github.com/cooelf/UVR-NMT

 

长期以来,机器翻译都只涉及到文本之间的转换,但实际上,人的感知功能可以是“多模态”的。

 

本文提出一种通用的视觉表征,将图片信息融合到机器翻译模型中。

 

使用这种视觉知识融合方法, 不需要额外的 双语-图片 标注数据,模型就能够在多个数据集上取得显着的效果提升。

 

多模态与机器翻译

 

机器翻译是两种语言间的转换,比如“A dog is playing in the snow”翻译为中文就是“小狗在雪地里玩耍”。

 

但人类理解世界不只是用文字,还有视觉、听觉等感知能力;并且翻译的过程需要保持“语义”不变。比如下面的图:

 

 

讲中文的人会说“小狗在雪地里玩耍”,而讲英文的人会说“A dog is playing in the snow”。也就是说,人们对客观世界的本质认知是相同的,只是“方法”不同,体现在语言上,就是语法上的差异。

 

为此,我们可以假设在机器翻译模型中,融入这种“客观的世界知识”,比如把图片信息加入,以此期望增强翻译能力。同时考虑文本和图片,这就是一种多模态。

 

然而,过去的翻译-图片研究大都需要大量的双语-图片标注数据,这在数据上成为一个研究的瓶颈。本文针对这种情况, 提出“通用的视觉表示”,仅用单语-图片标注数据,就能显着提高机器翻译的效果。

 

本文的方法 在数据集EN-RO,EN-DE,EN-FR上均有约一个BLEU值的提高 ,这说明了本方法的有效性。

 

具体来说,本文贡献如下:

 

提出一种通用的视觉表示方法,无需双语-图片标注语料;

 

该方法可以在只有文本的数据集上使用;

 

实验证明了该方法效果提升的一致性。

 

在阅读完本文之后,读者可以思考下述问题:

 

如果要翻译单语-图片数据集 中没有的语言,可以怎幺做?

 

在融合步骤,是否可以有其他的方法进行融合?

 

你认为本文这种方法从逻辑上是否真的有效? 为什幺?

 

通用视觉表示

 

本节来介绍本文的方法。

 

首先我们有一个单语-图片数据集 ,也就是,其中的每条数据都是一张图片 和对图片的描述 。

 

这个描述的句子为 ,把其中的停用词去掉后得到了 ,它所描述的图片是 。

 

然后,对 中的每个词 ,计算它在整个数据集 中的TF-IDF值,然后取 中TF-IDF值最大的前 个词作为这个图片 的主题词 ,也就是和图片最相关的 个词。

 

这样一来,每个图片 都有它主题词 ,同时,每个词都有可能同时是多个图片的主题词。我们可以把这看成一个“主题词-图片”查询表,输入一个词 ,就可以在表中查询以 为主题的所有图片

 

那幺,现在输入一个句子,我们就可以按照同样的步骤:

 

1.去除停用词;

 

2.计算每个词的TF-IDF;

 

3.取前 个TF-IDF最高的词;

 

4.在查询表中找到所有对应的图片;

 

5.按照出现次数的多少排序,取出前 个出现次数最多的图片(因为多个词可能对应同一个图片),得到集合 。

 

现在,这个图片集合 就可以认为是和输入句子对应的视觉信息,可以用它去增强翻译效果了。 下图是流程示意图:

 

 

在机器翻译中融合图片信息

 

为了把图片融合进去,我们首先用一个预训练的ResNet提取图片集 的表示,然后计算 与

 

这里, 是Transformer Encoder的最后一层, 是用ResNet得到的图片集的表示, 使用sigmoid计算。

 

在Decoder端,直接把 送入即可。融合步骤如下所示:

 

 

实验

 

我们在三个数据集上进行实验:WMT16 En-RO, WMT14 EN-DE和WMT14 EN-FR。这三个数据集大小从小到大增加,从而在不同大小的数据集上都能验证该方法。

 

下表是在这三个数据集上的结果,++表示显着更优。

 

 

可以看到,和基线模型(Trans.(base/big))相比,本文的方法(+VR)在三个数据集上都能得到显着的提升,平均提升约一个BLEU值。同时,只引入了很少的参数量,这就不会使训练时间几乎不会增加。

 

下表是在数据集Multi30K上的结果,这是一个多模态数据集。可以看到,即使在多模态设置下,本文方法依旧能够取得显着结果。

 

 

最后,我们来看看每个句子对应的图片集 的大小 ,和手动控制参数 的影响。

 

下图分别是两个因素的影响结果。从图片数量来看,并不是越多的图片数量越好,也不是越少越好,而是在 的区间较好。这是因为,过少的图片信息不充分,过多的图片噪声太多。

 

参数 控制的是图片信息融合的程度,可以看到,无论融合多少,效果都比不融合图片信息要好,这说明多模态是有效果的。

 

而且,手动控制它都没有模型自动学习好,这也说明模型对不同的输入句子,需要的视觉信息也是不同的。

 

 

小结

 

本文提出了一种简单、有效的多模态视觉知识融合方法——首先构建从主题词到图片的查询表,然后对输入句子找到相关的图片,然后使用ResNet提取图片信息融入到机器翻译模型中。

 

使用这种方法,可以避免对大规模双语-图片数据的依赖。实验结果也表明,这种方法可以一致地提高翻译效果。

 

思考题讨论

 

如果要翻译单语-图片数据集 中没有的语言,可以怎幺做?

比如 没有日语,我们可以用一个日语的image caption模型去自动标注每个图片的描述。

或者可以用X-日语的机器翻译得到图片翻译后的描述;或者直接用一个现有的词典,把图片的主题词直接翻译成日语。其他方法亦可。

 

在融合步骤,是否可以有其他的方法进行融合?

另外一个简单的方法是,把ResNet得到的图片表示和句子一起,送入Encoder,再像往常一样解码。

 

你认为本文这种方法从逻辑上是否真的有效?为什幺?

见仁见智,笔者倾向于有效,但是作用不大,因为只从模型的角度难以验证图片和文本之间语义的相关性,至于效果的提升,有可能是ResNet和Aggregate的共同结果。

笔者认为,可以考虑加一个图片预测描述的任务,和翻译一起学习;再将ResNet替换为普通的CNN进行实验。

 

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