复旦大学：利用场景图针对图像序列进行故事生成

复旦大学：利用场景图针对图像序列进行故事生成 | AAAI 2020

2019 年 12 月 23 日 AI科技评论

作者 | 王瑞泽

编辑 | Tokai

本文介绍了复旦大学研究团队在AAAI 2020上录用的一篇关于多模态文本生成工作: 《Storytelling from an Image Stream Using Scene Graphs》，利用场景图针对图像序列进行故事生成。

该文章认为将图像转为图结构的表示方法（如场景图），然后通过图网络在图像内和跨图像两个层面上进行关系推理，有助于表示图像，并最终有利于描述图像。实验结果证明该方法可以显著的提高故事生成的质量。

论文链接: http://www.sdspeople.fudan.edu.cn/zywei/paper/2020/wang-aaai-2020.pdf

对于大多数人，观察一组图像然后写一个语义通顺的故事是很简单的事情。尽管近年来深度神经网络的研究取得了令人鼓舞的成果，但对于机器来说，这仍然是一件困难的事情。

近年来，视觉叙事(visual storytelling)越来越受到计算机视觉（CV）和自然语言处理（NLP）领域的关注。不同于图像标注(image captioning)旨在为单个图像生成文字描述，视觉叙事任务则更具挑战性，它进一步研究了机器如何理解一个图像序列，并生成连贯故事的能力。

目前的视觉叙事方法都采用了编码器-解码器结构，使用通过一个基于CNN的模型提取视觉特征，使用基于RNN的模型进行文本生成。其中有些方法引入了强化学习和对抗学习等方法，来产生更加通顺、有表现性的故事。但是仅使用CNN提取到的特征来表示所有的视觉信息，这不大符合直觉而且损害了模型的可解释性和推理能力。

回想一下人是如何看图写故事的呢？人会先分辨出图像上面有什么物体，推理他们的关系，接下来把一个图像抽象成一个场景，然后依次看观察图像，推理图像间的关系。对于视觉叙事这个任务，本文认为也可以采用类似方法。

本文认为把图像转为一种图结构的表示（如场景图），随后在图像内(within-image)和跨图像(cross-image)这两个层面上建模视觉关系，将会有助于表示图像，并最终对描述图片有所帮助。

图1：一个基于场景图的视觉叙事例子.

一、方法描述

图2：提出的模型概述.

本文提出了一种基于图网络的模型SGVST (如图2所示)，它可以在图像内和跨图像这两个层面上建模视觉关系。

简单来说，首先将图像In通过Scene Graph Parser转化为场景图Gn=(Vn, En)。场景图包含了检测到的物体Vn={vn,1,…,vn,k}，以及物体之间的视觉关系En。

如图2所示，一个男人抱着一个孩子，那么男人和孩子就可以作为图中的节点，他们的视觉关系作为边。接着将场景图通过Multi-modal Graph ConvNet：在图像内的层面，使用图卷积神经网络（GCN）来对场景图中的节点特征进行增强。在跨图像层面，为了建模图像之间的交互，使用时序卷积神经网络（TCN）来沿着时间维度进行卷积，进一步优化图像的特征表示。最后得到了集合了图像内关系和跨图像关系的relation aware的特征，输入到层次化解码器（Hierarchical Decoder）中来生成故事。

图3：层次化解码器概述.

二、实验结果

1. 定量分析

表1：在VIST数据集上的不同模型性能比较. *代表直接优化RL奖励，比如CIDEr分数, 代表通过交叉熵损失(MLE)优化.

表1显示了不同模型在七个自动评价指标上的性能。结果显示作者提出的SGVST模型几乎在所有指标上都优于其他用MLE和RL优化的模型具有更好的性能，SGVST的BLEU-1、BLEU-4和METEOR得分比其他基于MLE优化的最佳方法分别提高了3.2%、2.5%和1.4%，这被认为是在VIST数据集上的显著进步。这直接说明将图像转换为基于图的语义表示（如场景图），有利于图像的表示和高质量的故事生成。

本文还进行了消融实验，和提出模型的5个变种模型进行了比较，来验证模型每个模块部分的重要性。从表1中可以看在不使用GCN和TCN的时候，模型性能有一个很大的下降。这说明图网络在该模型中是最为重要的，因为它可以给模型带来了推理视觉关系的能力。

2. 定性分析

图4：不同模型定性分析的例子.

图4展示了3种不同模型生成的故事和真实故事的样例。第一行是输入的一个图像序列。第二行是生成出的场景图。第三行是不同模型生成的故事。可以看出SGVST生成的故事更通顺，而且信息更丰富、更有表现力。

图5：每种颜色代表了相对应模型产生的故事，被评价人员认为更加像人写的、更有表现力所占的比例。灰色的”Tie”代表了打平.

表2：人工评估结果。在AMT上的评估人员根据对每个问题的同意程度来评价故事的质量，评分范围为1-5.

为了更好地评价生成的故事的质量，作者通过Amazon Mechanical Turk（AMT）进行了两种人工评价。（1）图5是不同模型两两比较的一个实验结果，给评价人员2个生成出的故事，然后让他来选择哪一个写的更好。（2）表2是在6个指标上进行的人工评估实验结果。可以看出本文提出的模型和其他模型相比有着巨大的优势，而且和人类相比，也取得了有竞争力的表现。